EP4196312A1 - Laser processing of a workpiece with a curved surface - Google Patents
Laser processing of a workpiece with a curved surfaceInfo
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- EP4196312A1 EP4196312A1 EP21758351.7A EP21758351A EP4196312A1 EP 4196312 A1 EP4196312 A1 EP 4196312A1 EP 21758351 A EP21758351 A EP 21758351A EP 4196312 A1 EP4196312 A1 EP 4196312A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for material processing of a workpiece with a curved surface, such as a glass tube or a glass cylinder, using a laser beam. Furthermore, the invention relates to an optical system and a laser processing system with an optical system.
- modifications can be produced in the material with laser radiation.
- An absorption occurring in the volume of the material (volume absorption for short) of the laser radiation can cause a long-drawn-out modification of the structure of the material in the case of transparent materials.
- Modifications in the structure of the material can be used, for example, for drilling, separating by induced stresses, effecting a modification of the refractive behavior or for selective laser etching. See for example the applications WO 2016/079062 A1, WO 2016/079063 A1 and WO 2016/079275 A1 of the applicant.
- ultra-short pulse laser-based glass modification processes for cutting glass are often carried out with elongated focus distributions, such as those found with non-diffracting beams.
- elongated focus distributions are formed, for example, due to interference from beam components arriving from outside and can form elongated modifications in the material, as is the case, for example, with Bessel-like beams.
- Beam-shaping elements and optics structures with which long, slim beam profiles with a high aspect ratio can be provided for laser processing in the direction of beam propagation are described, for example, in the cited WO 2016/079275 A1.
- One aspect of this disclosure is based on the object of enabling laser processing of a workpiece with a curved surface, such as laser processing of a glass tube or a glass cylinder with an elongated focal zone.
- beam shaping approaches such as those developed for the laser processing of flat workpieces, should also be applicable to workpieces with curved surfaces.
- one Another aspect of this disclosure is based on the object of specifying a method with which a laser-machined body/hollow body can be separated into two sections.
- At least one of these objects is achieved by a method for material processing of a workpiece according to claim 1, an optical system according to claim 16 and by a laser processing system according to claim 21. Further developments are specified in the dependent claims.
- methods for material processing of a workpiece with a pulsed laser beam in particular with ultra-short laser pulses, are disclosed, the workpiece having a material with a curved surface that is largely transparent to the laser beam.
- the procedures include the steps:
- Beam shaping includes:
- phase-correcting beam shaping which counteracts an influence on the interference by an entry of the laser beam into the workpiece
- optical systems for beam shaping of a pulsed laser beam for forming a focal zone in a workpiece with a curved surface, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam.
- the optical system includes focus-forming optics, which causes beam components to arrive at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for formation of the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece through interference.
- a phase correction which counteracts the interference caused by the laser beam entering the workpiece, is provided with phase-correcting optics or is integrated into the focus-forming optics.
- the optical systems include a phase correcting Optics that provide phase correction to counteract the interference caused by entry of the laser beam into the workpiece, or such phase correction is incorporated into the focus-forming optics.
- laser processing systems for processing a workpiece with a pulsed laser beam, in particular with ultra-short laser pulses, are disclosed by modifying a material of the workpiece in a focal zone of the laser beam, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam and the workpiece largely material transparent to the laser beam with a curved surface.
- the laser processing equipment includes a laser beam source that emits a laser beam, an optical system as described above, and a workpiece holder for supporting the workpiece.
- the curved surface can be curved in one direction
- the beam shaping of the laser beam can include impressing at least one two-dimensional phase distribution on the laser beam to form an elongated focal zone in the material of the workpiece, the at least one phase distribution
- first phase contributions which cause the arrival of beam components at the angle of arrival (and in particular generate a non-diffracting beam for the formation of the elongated focal zone along the beam axis in the workpiece), and
- the locally accumulated entry phase for an alignment of the beam axis along a normal direction of the surface at a point of impact of the beam axis on the surface can be determined and take into account the angle of arrival, a radius of curvature of the surface at the point of impact and a refractive index of the workpiece.
- the point of impact is understood here as the point of intersection of the optical axis of the laser beam with the workpiece (for example the substrate to be processed).
- the second phase contributions can form a phase distribution that is axisymmetric to an axis of symmetry, the second phase contributions being constant parallel to the axis of symmetry and changing perpendicularly to the axis of symmetry.
- the methods may further include the step:
- the first phase contributions and/or the second phase contributions can be impressed onto a transverse beam profile of the laser beam using a diffractive optical beam-shaping element, with the diffractive optical beam-shaping element having surface elements that adjoin one another and build up a surface grating structure in which each surface element has a phase shift value is assigned, and wherein the phase shift values bring about the first phase contributions and/or the second phase contributions.
- the methods can also include the steps: irradiating the laser beam onto the surface along a beam path of an optical system that images the laser beam into the material of the workpiece to form the elongated focal zone, and/or
- the phase-correcting beam shaping can be generated by a cylindrical lens, which is positioned in a beam path of the laser beam before or after an optical system that effects the focus-forming beam shaping.
- the cylindrical lens can have a radius of curvature that is adapted to a radius of curvature of the surface of the workpiece.
- the elongated focal zone begins before the entry surface of the workpiece (Az larger 0) or the beginning of the elongated focus zone falls into the workpiece (Az less than 0)
- the cylindrical lens can have a radius of curvature which is adapted to a radius of curvature of the surface of the workpiece in such a way that: again with
- the non-diffracting beam is not yet of high intensity and a continuous processing of the workpiece from the top to the back would not be possible.
- the estimation of the radius of curvature of the cylindrical lens based on the parameters a, b would have to be used.
- the beam shaping of the laser beam can be carried out by impressing a two-dimensional phase distribution on a transverse beam profile of an output laser beam with:
- a combination of a cylindrical lens with a diffractive optical beam-shaping element which has fixed or adjustable phase values in a two-dimensional arrangement, which is designed to impress a phase distribution causing a non-diffracting beam, in particular a Bessel beam-like phase distribution, for the formation of the elongated focal zone is.
- the beam shaping of the laser beam can be carried out with a single optic, which is designed as a refractive free-form optic element or a hybrid optic element, in particular an optic unit consisting of an input-side cylindrical lens and an output-side axicon.
- the methods can further include the step:
- the workpiece can be in the form of a tube, cylinder or section of a tube or cylinder, such as a half-tube or half-cylinder, and the relative movement can comprise a rotational movement of the workpiece.
- the beam axis of the laser beam can in particular run through a longitudinal axis of the workpiece.
- the scanning trajectory of the laser beam can run in a plane of maximum curvature of the surface of the workpiece.
- a translational movement in the direction of the longitudinal axis of the workpiece can additionally or partially take place.
- the scanning trajectory can be an outer contour for dividing the workpiece into two parts along a longitudinal axis of the workpiece.
- the scanning trajectory can be embodied as an inner contour closed on a surface of the workpiece for triggering a region delimited by the inner contour.
- the methods can further include the step:
- the monitoring and regulation can be carried out in particular if, during a rotational movement, a rotational axis deviates from an axis of rotational symmetry of the surface of the workpiece and/or the surface of the workpiece deviates at least in sections from a rotationally symmetrical surface profile.
- the methods may further include adjusting the phase-correcting beam shaping to a change in curvature of the curved surface along the scanning trajectory of the laser beam.
- a control signal for adjusting the phase-correcting beam shaping can be derived based on a pre-measurement of a curvature of the curved surface along the trajectory and/or based on an online measurement of a curvature of the curved surface during a relative movement between the workpiece and the focal zone along the scanning trajectory.
- the control signal can then be output to an adjustable beam-shaping element, such as a spatial light modulator or deformable mirror, to adjust the second phase contributions for phase-correcting beam-shaping.
- the optical systems can be set up to impress a two-dimensional phase distribution on the laser beam and to output it as a laser beam that forms a non-diffracting beam, in particular a real or virtual Bessel-like one, with the focus-forming optics first phase contributions of the Can generate phase distribution, and the phase-correcting optics or the phase correction can generate second phase contributions to the phase distribution, which cancel an entry phase locally accumulated by the laser beam when entering the workpiece.
- the focus-forming optics and/or the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution can be designed as a diffractive optical beam-shaping element that is set up to impress the first phase contributions and/or the second phase contributions on a transverse beam profile of the laser beam .
- the diffractive optical beam-shaping element can have surface elements adjoining one another, which build up a surface grating structure in which each surface element is assigned a phase shift value, and the phase shift values bring about the first phase contributions and/or the second phase contributions.
- the focus-forming optics can be designed as an axicon that generates the focus-forming phase contributions.
- the phase-correcting optics can be designed as a cylindrical lens, which generates the second phase contributions and is positioned directly before or after the focus-forming optics in the beam path of the laser beam.
- the focus-forming optics can be designed as a refractive free-form element that generates the first phase contributions and the second phase contributions.
- the focus-forming optics and the phase-correcting optics can be embodied as hybrid optics that generate the first phase contributions and the second phase contributions and are embodied in particular as a combination of an input-side cylindrical lens and an output-side axicon.
- the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution can be designed as an optical element that can be adjusted in the two-dimensional phase distribution. It can be designed, for example, as a diffractive optical beam-shaping element such as a spatial light modulator or a deformable cylinder mirror. Furthermore, the adjustable optical element for an adaptation of the phase corrections when there is a change in a curvature of the curved surface to be corrected, depending on a control signal.
- the optical systems can also include: a telescope arrangement for reducing a real or virtual focal zone that is assigned to the focus-forming optics, and/or a distance sensor that is set up to determine a position of a surface of the workpiece along the beam axis.
- the optical system and/or the workpiece holder can be set up to:
- the laser processing systems also include a distance sensor that is arranged and set up to determine a position of a surface of the workpiece along the beam axis, and a controller that is set up to determine a position of the surface of the workpiece along the beam axis with the distance sensor to monitor and regulate to a target position.
- the optical system can have phase-correcting optics for phase imprinting of a two-dimensional phase distribution, which is designed to be adjustable in the two-dimensional phase distribution.
- the laser processing system can also include a controller that is set up to output a control signal to the adjustable optical element that adapts the two-dimensional phase distribution to a curvature of the curved surface of the workpiece that is to be corrected.
- the control signal can in particular based on a pre-measurement of a curvature of the curved surface along a scanning trajectory or based on a Online measurement of a curvature of the curved surface can be provided during a relative movement between the workpiece and the focal zone along a scanning trajectory, in particular derived from the control unit.
- the laser processing systems can also have a distance sensor that is arranged and set up to determine a position of a surface of the workpiece along the beam axis. Furthermore, the laser processing systems can have a controller that is set up to monitor a position of the surface of the workpiece along the beam axis with the distance sensor and to regulate it to a target position.
- a process for laser machining transparent materials with curved surfaces can be implemented.
- the underlying optics concept allows, for example, the processing of glass tubes with radii of less than 15 mm, e.g. with radii of a few millimeters, such as 5 mm in elongated focal zones of a few 10 pm up to a few millimeters.
- focus-forming beam shaping which causes beam components to run in at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for forming the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece by interference.
- focus-forming beam shaping relates to beam shaping that generates a non-diffracting beam for forming the elongated focal zone along the beam axis in the workpiece.
- FIG. 1 Figures to clarify non-diffracting beams compared to a Gaussian beam
- FIG. 2 shows a schematic sketch of a laser processing system for material processing
- Fig. 3A and 3B schematic sketches of an optical system for beam shaping for
- FIG. 7 shows a graphical representation of an exemplary dependence of the radius of curvature of the cylindrical lens on the displacement of the start of the focal zone from the workpiece surface
- Fig. 9 is a flow chart to illustrate an exemplary method for
- FIG. 11 shows a flowchart to clarify an example of a method for separating a workpiece that has been modified with asymmetrical modifications
- Non-diffractive beams can be formed by wave fields that correspond to the Helmholtz equation
- Equation 2 k z 2 + kl unc j U x,y) ejne Ge ii eG ig e complex-valued function that depends only on the transversal coordinates x and y. Since the z-dependence in Equation 2 exhibits pure phase modulation, is an intensity z ) > a function solving equation 2 is propagation-invariant and is called “non-diffractive”:
- This approach provides different solution classes of the Helmholtz equation in different coordinate systems, such as so-called Mathieu rays in elliptic-cylindrical coordinates or so-called Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
- non-diffracting beams A large number of types of non-diffracting beams can be realized to a good approximation. These realized non-diffractive beams will continue to be referred to herein as “finitely limited non-diffractive beams", “non-diffractive beams”, or also as “quasi-non-diffractive beams” for the sake of simplicity. In contrast to the theoretical construct, they lead to a finite performance. A length L of a propagation invariance assigned to them is also finite.
- Fig. 1 shows the propagation behavior of non-diffracting rays using intensity representations in figures (b) and (c) .
- Figures (a), (b) and (c) each show a longitudinal section (xz-plane) and a transverse section (xy-plane) through the focus of a Gaussian beam and non-diffracting rays, respectively, directed in the z-direction propagate.
- Figure (b) refers to a rotationally symmetrical, non-diffracting beam, in this case a Bessel-Gaussian beam.
- Figure (c) refers to a non-asymmetric non-diffracting beam as an example.
- the Figures (d) and (e) of Figure 1 also show details of a central intensity maximum.
- image (d) of FIG. 1 shows an intensity curve in a transverse sectional plane (X-Y plane) and a transverse intensity curve in the X direction.
- Focus diameter “0 a l s defines the transverse dimension of a local intensity maximum JND, with the transverse focus diameter u,) being given by the shortest distance of directly adjacent, opposite intensity minima (eg intensity drop to 25%). See, for example, Figures (b) and (d) in FIG. 1.
- the longitudinal extension of the almost propagation-invariant intensity maximum can be viewed as a characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. It is defined by an intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum, in the positive and negative z-direction, see images (c) and (e) of Fig. 1.
- a quasi-non-diffracting ray is assumed here if, for similar transverse dimensions, e.g , the characteristic length L of the non-diffracting
- (Quasi) Bessel rays also known as Bessel-like rays, are examples of a class of (quasi) non-diffracting rays.
- the transverse field distribution ( ' near the optical axis obeys in good approximation a Bessel function of the first kind of order n.
- a subset of this class of beams are the so-called Bessel-Gauss beams, which due to their simple A Bessel-Gaussian beam can be formed, for example, by illuminating an axicon of refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam.
- the associated elongated focus zone obeys, in good approximation, a Bessel function of the first kind of order 0 (in a good approximation), which is enveloped by a Gaussian distribution, see Figures (d) and (e) of Fig. 1, the intensity distribution shown correspond to the square of the absolute value of a Bessel function (in a good approximation).
- Typical Bessel-Gauss beams which can be used to process transparent materials, have a diameter of the central intensity maximum on the optical axis of u 0 . Ü .111 au p)i e associated length L can easily exceed 1 mm, see figure (b) of FIG. 1.
- m is characterized by a focal length in air of only '-R ⁇ at a wavelength ⁇ of 1 pm, see figure (a) of FIG 10- ⁇ R, for example 100 times or more or even 500 times or more the Rayleigh length.
- aspects described herein are based in part on the recognition that if a workpiece having a curved surface is to be machined with a non-diffracting beam, such as that formed in an interference-based focal zone of a Bessel-Gaussian beam, the curved surface can affect the formation of the non-diffracting beam (the underlying interference). Accordingly, beam shaping, as used to process flat workpieces, is no longer effective. This is particularly the case when the curvature is not rotationally symmetrical but is one-dimensional, as in the case of a tube or cylinder to be machined made of glass or a transparent ceramic, for example.
- a curved surface leads to aberrations in the propagation of the laser radiation and spatial properties of a non-diffracting beam, for example a beam profile similar to a Bessel beam, no longer develop.
- a non-diffracting beam for example a beam profile similar to a Bessel beam
- such non-diffracting beams can no longer be used over the full desired length for the formation of material modifications.
- the phase correction in the beam path is preferably carried out in the area in which there is still a Gaussian or almost Gaussian laser beam profile.
- the phase correction can take place in particular in the area of a phase imprint, such as is used to form the non-diffracting beam, for example a beam profile similar to a Bessel beam, in workpieces.
- a phase imprint such as is used to form the non-diffracting beam, for example a beam profile similar to a Bessel beam, in workpieces.
- the phase correction can be effected with simple optical components. Even with tilted surfaces, the geometries of the optical components required for correction become very complex.
- a non-diffracting beam can be generated with an almost undisturbed propagation in the material of a pipe or cylinder.
- elongated modifications can also be inscribed in a workpiece with a curved surface using a pulsed laser beam with appropriately set parameters such as pulse energy, pulse duration and focal zone geometry. Structural modifications created in this way can, as with flat workpieces, enable a cutting process or be used to remove material.
- Fig. 2 shows a schematic representation of a laser processing system 1 with a laser beam source 1A and an optical system 1B for beam shaping of a pulsed output laser beam 3' of the beam source 1A.
- the purpose of beam shaping is to form a pulsed laser beam 3 with a beam profile that can be focused as a non-diffracting beam in a focus zone 7 for material processing.
- the focal zone 7 is formed by the non-diffracting beam and the focal zone 7 is elongated along a beam axis 5 of the laser beam 3 .
- the focus zone 7 is created in a workpiece to be machined.
- the workpiece can, for example, consist of a material that is largely transparent (for the laser wavelength of the pulsed laser beam 3 used) in a ceramic or crystalline design such as glass, sapphire, transparent ceramic, glass ceramic.
- transparency of a material refers herein to the linear absorbance.
- a “substantially” transparent material may absorb, for example, less than 20% or even less than 10% of the incident light over a length of modification.
- a (e.g. glass) tube 9 is three-dimensionally indicated as an example of a workpiece with a curved surface 9A.
- the tube 9 has an outer radius Ra and an inner radius Ri and a wall thickness Ra-Ri.
- the beam axis 5 is directed towards the surface 9A along a normal direction N of the surface 9A and impinges on it at an impingement point P.
- the output laser beam 3' and thus the laser beam 3 is determined by beam parameters such as the formation of individual laser pulses or groups of laser pulses, wavelength, spectral width, temporal pulse shape, pulse energy, beam diameter and polarization.
- the laser pulses have e.g. pulse energies that lead to pulse peak intensities that cause volume absorption in the material of the tube wall and thus the formation of a modification in a desired geometry.
- the output laser beam 3' will be a collimated Gaussian beam with a transverse Gaussian intensity profile generated by the laser beam source 1A, for example a high-power USP laser system.
- the optical system 1B forms a beam profile from the Gaussian beam, which enables the formation of the elongated focal zone 7;
- a Bessel-Gaussian beam with an ordinary or inverse Bessel-beam-like beam profile is generated with the aid of a beam-shaping element 11 of the optical system 1B.
- the beam-shaping element 11 is designed to impress a transverse phase curve on the incident output laser beam 3'.
- the beam shaping element 11 is, for example, a hollow cone axicon, a hollow cone axicon lens/mirror system, a reflective axicon lens/mirror system or a diffractive optical beam shaping element.
- the diffractive optical beam-shaping element can be a programmable or permanently written diffractive optical beam-shaping element, in particular a spatial light modulator (SLM spatial light modulator).
- SLM spatial light modulator spatial light modulator
- FIG. 2 schematically shows other beam-guiding components 13 as part of the optical system 1B, such as a telescope arrangement 13A, mirrors, lenses, filters and control modules for aligning the various components.
- the optical system 1B focuses the pulsed laser beam 3 into the workpiece, here into the wall of the tube 9, so that the elongated focus zone 7 is formed there.
- the elongated focus zone 7 refers here to a three-dimensional intensity distribution that determines the spatial extent of the interaction and thus the modification of the material with the laser pulse/laser pulse group in the workpiece to be processed.
- the elongated focus zone 7 defines an elongated volume area in the workpiece to be machined, in which there is a fluence/intensity. If the fluence/intensity is above the threshold fluence/intensity relevant for the processing/modification, an elongated modification 15 is inscribed into the workpiece along the elongated focus zone 7 .
- Such an elongated focal zone can lead to modification 15 in material with a similar aspect ratio.
- a maximum change in the lateral extension of the intensity distribution, which the modification 15 brings about, over the focal zone 7 can be in the range of 50% and less, for example 20% and less, for example in the range of 10% and less. The same applies to a maximum change in the lateral extent of modification 15.
- the non-diffracting beam for example a (conventional) Bessel-Gaussian beam (see FIG. 1), in which there is an annular far-field distribution whose ring width is typically small compared to the radius.
- the interaction zone/focus zone axis is supplied with radial beam components essentially with this angle in a rotationally symmetrical manner.
- FIGS. 3A to 6B An example of beam shaping that leads to such an elongated focal zone is illustrated in FIGS. 3A to 6B.
- the figures show, by way of example, in a sectional plane through the beam path, the arrival of (radial) beam components 3A (see in particular Fig. 4B) at an angle of arrival 6 in air or 6 'in the material on the beam axis 5 of the laser beam 3 Focus zone 7 along the beam axis 5 in the workpiece by interference of the beam components 3 A (over a length /., see Fig. 1) are formed.
- an elongated (e.g. Bessel beam-based) focal zone presupposes that energy can be supplied laterally over the entire length L of the focal zone and that the conditions for constructive interference are present.
- a relative movement takes place between the optical system 1B and the workpiece, so that the focus zone 7 can be radiated into the workpiece at different positions with a pulsed laser beam in order to form an arrangement of modifications 15 .
- the relative movement is controlled in such a way that the modifications line up along a scanning trajectory T.
- the arrow illustrating the scanning trajectory T in FIG. 2 represents a movement of the impact point P over the surface of the workpiece (example in FIG. 1 in the plane of the drawing, i.e. the section plane of the tube 9).
- a relative movement is effected between the workpiece and the focal zone 7, in which the focal zone 7 is repeatedly positioned along the scanning trajectory T (at least partially) in the material of the workpiece. Accordingly, a plurality of modifications can be written into the material of the workpiece along the scanning trajectory T .
- FIG. 1 For a circumferential machining of the tube 9 (circular scanning trajectory T), a workpiece holder 19 is shown in FIG. Support rollers 19A are indicated as an example. Furthermore, a base unit 19B of the workpiece holder 19 can allow the tube 9 to be displaced along the longitudinal axis A or can adjust the distance from the optical system 1B. Alternatively or additionally, a relative movement between the workpiece and the optical system 1B can be brought about by moving the optical system 1B (or components thereof).
- FIG. 2 shows an example of a linear displacement unit 21 of the optical system 1B, with which the focal zone can be positioned along the beam axis. Further processing axes can be provided, which allow the exiting laser beam 3 and thus the axis of the focal zone to be spatially aligned.
- a piece of pipe can be cut off or structures can be cut out of the piece of pipe. As explained in connection with Figures 10 and 11, this can be done using a heat source 203 and a cooling source 205, for example.
- the laser processing system 1 also has a control unit 23 which, in particular, has an interface for a user to input operating parameters.
- the control unit 23 includes electronic control components such as a processor for controlling electrical, mechanical and optical components of the laser processing system 1.
- operating parameters of the laser beam source IA such as pump laser power
- parameters for setting an optical element e.g. an SLM
- parameters for spatial alignment an optical element of the optical system 1B and parameters of the workpiece holder 19 for traversing the scanning trajectory T
- a distance sensor 25 is also indicated schematically in FIG. 2, which is arranged, for example, on the optical system 1B.
- the distance sensor 25 is set up to detect the distance between the workpiece and the optical system.
- the distance sensor 25 can determine a position of a surface 9A of the workpiece 9 along the beam axis 5 in relation to a target position with regard to the elongated focal zone.
- the target position is defined for the specific material processing situation of the respective workpiece and for the respective beam formation.
- the target position can be specified by a desired displacement Az (in or against the propagation direction of the laser beam) between the start of the elongated focus zone and the surface of the workpiece/tube 9 .
- the beginning of the elongated focal zone can be at the location in the Z-direction at which the intensity has increased to 50% of the maximum intensity.
- a displacement Az>0 can be set as the target position, in which the elongated focus zone is already formed in front of the tube 9 and then extends into the material of the tube 9.
- a displacement Az ⁇ 0 can be set, in which case the elongated focal zone is formed only in the material of the tube or at least beginning in the material of the tube 9 .
- the distance sensor 25 outputs status data to the control unit 23, which can regulate the distance, for example, via the workpiece holder 19 or the linear displacement unit 21 in relation to a predetermined target position.
- Distance sensors can be designed, for example, as confocal white-light sensors, white-light interferometers (such as optical coherence tomographs) or capacitive sensors.
- the distance sensor 25 can be used to measure the position of a workpiece with respect to processing optics and/or the geometry of the workpiece in a pre-measurement step or during processing. For example, it can happen that the rotating work piece (to be positioned) is mounted in the work piece holder 19 with a slight wobbling, in particular a strong wobbling during a rotation. In such a case, the distance between the surface and the specified target position can be measured before the actual processing and the position data of the surface can be saved.
- the control unit 23 can cause the workpiece to be traversed once along the trajectory to be machined without the laser beam 3 being irradiated.
- the distance sensor 25 detects the distance data and outputs it to the control unit 23 in which the distance data is stored.
- the distance sensor 25 can be designed to measure a curvature of the surface of the workpiece in a pre-measurement step or during processing.
- the curvature can be calculated from the distance data, for example.
- the curvature of the surface of the workpiece can vary along the scanning trajectory, so that the scanning trajectory is traversed in a pre-measurement in order to save data about the curvature of the surface along the scanning trajectory and use it for later adjustment of the phase-correcting beam shaping.
- a corresponding preliminary measurement can in turn be controlled by the control unit 23 and the recorded curvature data can be stored in the control unit 23 .
- the control unit 23 can set parameters of the laser beam 3 .
- Exemplary parameters of the laser beam 3, which can be used within the scope of this disclosure, in particular in the various aspects, embodiments and developments disclosed herein, which preferably use pulsed laser radiation, and in particular ultra-short laser pulses, for material processing, are:
- Laser pulse energies/energy of a laser pulse group e.g. in the mJ range and more, for example in the range between 20 pj and 5 mJ (e.g. 1200 pj), typically between 100 pj and 1 mJ
- Wavelength ranges IR, VIS, UV (e.g. 2 pm > Z. > 200 nm; e.g. 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
- Pulse duration a few picoseconds (for example 3 ps) and shorter, for example a few hundred or a few (tens) of femtoseconds, in particular ultra-short laser pulses/laser pulse groups
- Number of laser pulses in a burst e.g. 2 to 4 pulses (or more) per burst with a time interval in the burst of a few nanoseconds (e.g. 40 ns)
- Number of laser pulses per modification one laser pulse or one burst for a modification Repetition rate: usually greater than 0.1 kHz, e.g. 10 kHz
- Length of the focal zone in the material greater than 20 pm, up to a few millimeters
- Diameter of the focal zone in the material greater than 1 pm, up to 20 pm and more
- Feed d between two adjacent modifications at least the lateral extent of the modification in the feed direction (usually at least twice the extent, for example four or ten times (or more) the extent)
- the pulse duration refers to a single laser pulse.
- an exposure time refers to a group/burst of laser pulses that result in the formation of a single modification at a location in the material of the workpiece. If the exposure time, like the pulse duration, is short with respect to a given feed rate, one laser pulse and all laser pulses of a group of laser pulses contribute to a single modification at one location. At lower feed rates, continuous Modification zones, which include modifications that adjoin one another and merge into one another, arise.
- the aforementioned parameter ranges can allow the processing of volumes that protrude up to, for example, 20 mm and more (typically 100 ⁇ m to 10 mm) into a workpiece. Volumes of this type are used, for example, when processing pipes with internal radii of 100 ⁇ m and larger and external radii of, for example, in the range of 10 mm.
- the beam shaping is implemented in FIG. 2 with a flat diffractive optical beam shaping element 27 .
- the phase correction concepts disclosed herein with regard to the curved surface 9A of the workpiece is implemented in FIG. 2 by a cylindrical lens 29 .
- a cylinder axis assigned to the cylinder lens extends in Fig. 2 along the axis A of the tube 9.
- the cylinder lens 29 can be designed as a phase distribution of an (adjustably deformable) cylinder mirror or a diffractive optical beam-shaping element 29' .
- the diffractive optical beam-shaping element 29' can be embodied as a permanently inscribed diffractive optical beam-shaping element.
- the diffractive optical beam-shaping element 29' can be used as an adjustable diffractive optical beam-shaping element.
- the diffractive optical beam-shaping element 27 and the diffractive optical beam-shaping element 29' can be combined in one diffractive optical beam-shaping element.
- An adjustable diffractive optical beam-shaping element or a deformable cylinder mirror can be controlled and adjusted by the control unit 23 with regard to the phase-correcting beam shaping to be carried out (see connecting line 23A in FIG. 2).
- a diffractive optical beam-shaping element is designed to impose a phase contribution on a transverse beam profile of the output laser beam 3′, the diffractive optical beam-shaping element having surface elements that adjoin one another (see surface elements 27A indicated as an example for the beam-shaping element 27 in FIG. 2).
- the surface elements 27A can build up a surface lattice structure in which a phase shift value is assigned to each surface element 27A.
- an axicon or an inverse axicon for example, but also a cylindrical lens can be diffractively simulated.
- diffractive optical beam-shaping elements and corresponding refractive optics as well as reflective optics implementations are regarded as essentially equivalent optical means with regard to the phase correction to be carried out.
- FIGS. 3A and 3B show orthogonal sectional views of the beam path (only schematically, not physically) in an optical system to clarify the beam shaping.
- Fig. 3A shows a sectional view on a Z-Y plane
- Fig. 3B shows a sectional view on a Z-X plane.
- the processing optics are used for (Gaussian) Bessel beam generation and include an axicon 31 with a cone angle y, so that radial beam components each run towards the beam axis 5 at an angle 6 and a first real Bessel beam focus zone (interference zone 33 over form a length 10).
- the Axicon 31 is embedded in two telescopes.
- a telescope (not shown) positioned upstream adjusts the beam diameter of the output laser beam 3' onto the axicon 31, generally the beam shaping element.
- the general aim of the imaging is that the interference zone 33 is imaged in the workpiece in a reduced manner to form the elongated focal zone 7 (of the non-diffracting laser beam).
- the non-diffractive laser beam strikes the workpiece surface at an impact point P.
- the point of impact is understood here as the point of intersection of the optical axis of the laser beam with the workpiece (for example the substrate to be processed).
- the beginning of the non-diffracting laser beam is an amount Az > 0 in front of the surface of the workpiece, for example Az is in the range of 100 pm to 200 pm, so that there is already sufficient intensity on the workpiece surface for processing the material is available.
- the start of the non-diffracting laser beam can also only take place in the workpiece (Az ⁇ 0).
- the radial beam components in the ZY plane in the material run towards the beam axis 5 at an angle 6', for example. This is shown in FIG. 4A (ideal propagation; without aberrations) for a flat surface 37.
- FIG. 4A ideal propagation; without aberrations
- FIG. 4A The interference of the radial beam components 3 A takes place over the entire length.
- An exemplary intensity profile I(x, z) is shown along the beam axis 5 (in the Z direction) in FIG. 5A, as can be generated with a Bessel beam.
- An associated transverse intensity profile I(x, y) is shown in FIG. 5B.
- the intensity curves correspond to those in image (b) of Fig. 1.
- the aim is to achieve such an intensity curve for a workpiece with a curved surface 9A. However, this is not possible without correcting the optical path in the plane of curvature.
- FIG. 6A shows an intensity curve I(x,z) for this curved surface entry situation.
- 6A shows an intensity profile I(x, z). It can be seen that high intensities are only present over a limited area along the beam axis 5 (in the Z-direction), zones of somewhat higher intensity then form at a distance from the beam axis 5 .
- I(x, y) in FIG. 6B, it can be seen that these off-axis zones are arranged in the X and Y directions.
- the wavefront aberrations when passing through the curved surface 39 thus result in a focus distribution with a significant loss of intensity in the direction of propagation, so that an optical processing of deep-lying areas in particular is no longer possible.
- the correction phase influences the course of the laser beam in the material in such a way that the radial beam components also in the Z-X plane also essentially run towards the beam axis 5 at the angle 6′.
- a cylindrical lens 35 is positioned in front of the axicon 31 in the structure of FIGS. 3A and 3B, the refractive effect of which is in the cross-sectional plane of the tube 9 .
- a cylindrical lens 35' is indicated in dashed lines in FIG. 3B, which is positioned directly downstream of the axicon 31 in the beam path in the processing optics.
- the cylindrical lens 35, 35' represents the place where an axisymmetric phase distribution is imposed.
- the cylindrical lens has a refractive index nz, a cylinder radius Rz and a focal length fz to compensate for aberrations of the workpiece with a radius of curvature Ra of the surfaces and a refractive index nw.
- the optics in the structure of FIGS. 3A and 3B are to be understood as rotationally symmetrical about the beam axis 5 in the case of a rotationally symmetrical axicon 31.
- the optical systems shown in Figure 2 and in Figures 3A and 3B are examples of an optical system for beam shaping a laser beam for forming a focal zone in a workpiece having a curved surface, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam.
- the optical systems have focus-forming optics that allow beam components to enter the beam axis of the laser beam at an angle of incidence for forming the elongated focus zone along the beam axis (ie, for forming a non-diffracting beam) in the workpiece by interference causes.
- a phase correction is provided in the optical system, which counteracts the interference being influenced by the laser beam entering the workpiece.
- the phase correction can generally be implemented as diffractive, refractive and/or reflective. It can, for example, be provided as phase-correcting (separate) optics or be integrated into the focus-forming optics.
- the cylindrical lens 35, 35' should be as close as possible in the plane of the axicon or the diffractive optical element (beam shaping element 27) (if possible directly in front of or behind it).
- the selection of the radius of curvature Rz of the surface of the cylindrical lens depends on the relative location of the non-diffracting beam with respect to the workpiece, particularly the beginning of the elongated focal zone with respect to the entrance surface of the workpiece.
- Rz radius of curvature of the cylindrical lens
- nz refractive index of the cylindrical lens
- Rw radius of curvature of the surface of the workpiece
- nw refractive index of the material of the workpiece
- the graph shown in FIG. 7 shows an exemplary function (composed of the above definitions) of the radius of curvature R z as a function of the displacement Az, assuming the following parameters:
- a “negative” cylindrical lens curvature (concave) is to be provided for a “positive” curved glass tube (convex in the cutting plane).
- a phase distribution caused by the cylindrical lens has a scattering effect (and not a collecting effect as occurs when entering the glass tube).
- the concepts disclosed herein can also be used for workpieces with a concavely curved surface (e.g. for laser processing along a rod having a trough) can be machined by providing a "positive" cylindrical lens curvature (convex).
- Radii of curvature are generally considered herein to be in a cutting plane transverse to the longitudinal axis of the workpiece/pipe section to be cut.
- a radius of curvature is inverse to a concave shape for a workpiece having a convex shape (round tube surface) in the cutting plane.
- the curvature of the correcting optics (or a “curvature” that can be assigned to the corresponding phase curves) is inverted in accordance with the curvature of the workpiece. This is indicated in the above formula for by the factor (-1).
- a radius of curvature R z of less than zero/negative cylindrical lens for a concave shape of the workpiece can be seen in FIG.
- a radius of curvature R z greater than zero/positive cylindrical lens results for a convex shape of the workpiece.
- the person skilled in the art will recognize that in addition to plano-convex or plano-concave cylindrical lenses (see FIG. 2), corresponding lenses curved on both sides with the corresponding refractive behavior can be used.
- diffractive optical beam shaping elements and/or refractive and/or reflective optics may be employed for the phase correction to be performed.
- Embodiments with diffractive optical beam-shaping elements are explained below with reference to FIGS. 8A to 8F.
- FIGS. 8D to 8F show an exemplary case based on phase curves as can be assigned to a 0.5° axicon and a 200 mm cylindrical lens.
- FIG. 8A shows a two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) [in rad] for a diffractive optical element that brings about focus-forming beam shaping.
- the phase distribution PHI_BESSEL(x,y) can impose a symmetrical Bessel beam phase distribution on an incident Gaussian beam (to produce a Bessel-Gaussian beam).
- the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) you can see rings running constant phase shift values radially ramping in a sawtooth shape between -PI and +PI.
- the phase shift values represent first phase contributions 25 A of the beam formation and cause beam components to arrive at a beam axis of the laser beam at an angle of incidence for formation of an elongated focus zone along the beam axis in the workpiece through interference.
- FIG. 8B shows a two-dimensional phase distribution PHI_ZYL(x, y) for a diffractive optical element, which causes a phase-correcting beam shaping, as is the case when processing a pipe with an outer radius of 5 mm with an elongated focal zone, as is the case with the phase distribution PHI_BESSEL( x, y) is generated can be used.
- the phase curve roughly corresponds to that of a 1000 mm cylindrical lens with a cylinder radius of "Rz » -500 mm".
- phase contributions 25B form a phase distribution that is symmetrical to an axis of symmetry S, the second phase contributions 25B being constant parallel to the axis of symmetry S (in the y-direction) and changing perpendicularly to the axis of symmetry S.
- the second phase contributions 25B can cancel out the entry phase that occurs locally, ie, when a laser beam enters the tube with the outer radius of 5 mm on a surface element on the curved surface.
- the two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) and the phase distribution PHI_ZYL(x, y) can be generated together with a diffractive optical element.
- 8C shows a corresponding superimposed two-dimensional phase distribution PHI total (x, y), in which the two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) dominates in appearance.
- Fig. 8D shows a phase distribution PHI_BESSEL(x, y) for generating an elongated focal zone, which is approximately that of a 0.5° axicon generated focus zone corresponds.
- FIG. 8E shows a two-dimensional phase distribution PHI_ZYL(x, y) whose phase profile corresponds approximately to that of a 200 mm cylindrical lens with a cylinder radius of approximately ⁇ 100 mm.
- FIG. 8F a corresponding deformation of the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) can now be seen in the superimposed two-dimensional phase distribution PHI total(x, y).
- FIG. 9 shows a flow chart of a method for laser machining a workpiece with a curved surface.
- a laser beam is shaped to form an elongated focus zone in the material of the workpiece.
- Beam shaping is performed with an array of diffractive and/or refractive and/or reflective optics.
- Step 101 includes the sub-steps of focus-forming beam shaping 101A and phase-correcting beam shaping 101B.
- the focus-forming beam shaping 101 A causes beam components to run in at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for forming the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece by interference.
- the phase-correcting beam shaper 101B counteracts the interference caused by the laser beam entering the workpiece.
- Steps 101A and 101B can also be carried out in combination in a common phase imprinting step.
- a two-dimensional phase distribution can be applied to the laser beam to form the elongated focal zone.
- the phase distribution for the focus-forming beam shaping includes first phase contributions, which cause beam components to arrive at the angle of arrival, and/or for the phase-correcting beam shaping, second phase contributions, which cancel out an entry phase locally accumulated by the laser beam when it enters the workpiece.
- the accumulated entry phase is determined for an alignment of the beam axis along a normal direction of the surface at a point of impact of the beam axis on the surface.
- a step 103 the symmetrical phase distribution and the workpiece can be aligned in such a way that an axis of symmetry of the phase distribution of the second phase contributions, taking into account the beam path, runs orthogonally to a plane between a location where this axisymmetric phase distribution is impressed and the workpiece, in which a (maximum ) radius of curvature of the surface is defined.
- a step 105 beam parameters of the laser beam are set in such a way that the material of the workpiece is structurally modified in the elongated focal zone.
- a step 107 the laser beam is radiated onto the surface of the workpiece along a beam path that images the laser beam into the material of the workpiece to form the elongated focal zone.
- the beam axis of the laser beam can be aligned to a normal direction of the surface (step 107A) such that the beam axis impinges on the surface in an angular range of 5° around the normal direction and preferably along the normal direction.
- an adjustment process can be carried out, for example with the arrangement described in German patent application 10 2020 103 884.4, “Adjustment device for a Bessel beam processing optics and method”, with the application date February 14, 2020 of the applicant.
- the beginning of the elongated focal zone in front of the surface of the tube 9 (Az > 0) or only in tube 9 (Az ⁇ 0).
- the positioning of the optical system relative to the workpiece preferably in the direction of beam propagation (along the beam axis), can have a z-position tolerance of a few 100 micrometers, eg ⁇ 200 pm.
- an adjustment cylinder lens can be used as a substitute for the workpiece (front curved like the tube to be processed, back flat).
- a correspondingly precise exchange must be made possible for laser processing.
- a marking can be applied to the front of the cylindrical lens, for example metal can be vapor-deposited or a character can be painted on.
- a telescope is arranged downstream of the adjustment cylinder lens, the focal plane of which is recorded with a camera for imaging the surface.
- the camera is adjusted to the surface of the adjustment cylinder lens so that the marking is sharply imaged.
- the processing optics are aligned with the surface of the adjustment cylinder lens.
- both a transversal position (in the X/Y direction) and a longitudinal position (in the Z direction) have to be adjusted.
- the tube is shifted out of the beam path in opposite directions, with the edges of the lens on both sides being easily detectable and the mean value giving the transversal position.
- the virtual plane of the Gaussian envelope of the raw beam on the axicon is searched for the longitudinal positioning. If the test cylinder lens is too close, the camera recognizes the Bessel beam focus zone, if the test cylinder lens is too far away, the camera already recognizes the ring distribution. The largely correct position in the Z-direction is given when the envelope of the beam profile is as circular as possible and not elliptical. The flat back of the test cylindrical lens almost does not aberrate the camera image.
- a second step of the adjustment process the cylindrical lens is replaced by the workpiece, eg a glass tube, using a reference in the Z position.
- a relative movement is effected between the workpiece and the focal zone, during which the focal zone is positioned along a scanning trajectory in the material of the workpiece. Accordingly, a plurality of modifications can be written into the material of the workpiece along the scanning trajectory.
- the relative movement can be controlled in step 109 as a rotational movement of the workpiece, in which the beam axis of the laser beam runs in particular through a longitudinal axis of the workpiece.
- the scanning trajectory of the laser beam can run in a plane of maximum curvature of the surface of the workpiece.
- a translational movement in the direction of the longitudinal axis of the workpiece can be controlled in order to traverse any scanning trajectories on the surface of the workpiece. For example, an outer contour for dividing the workpiece 9 into two parts along a longitudinal axis of the workpiece 9 (see the example in Fig.
- the scanning trajectory can run in one or more areas with (substantially) the same curvature in the surface and/or in one or more areas with varying curvature of the surface.
- a position of the surface of the workpiece along the beam axis is monitored and regulated to a target position (target distance from the optical system). Monitoring and regulation is carried out in particular when a rotational axis of the rotational movement deviates from an axis of rotational symmetry of the surface of the workpiece and/or the surface of the workpiece deviates at least in sections from a rotationally symmetrical surface profile.
- a phase-correcting beam shaping 101B′ can be adapted in its compensation effect to the curvature of the surface that is present in each case.
- the phase-correcting beam shaping is adapted, for example, by taking into account the curvature that is present in each case in the two-dimensional phase distribution of the beam-shaping element. For example, see the workpiece shown in Figure 12B with a tapered end Workpiece surface in which a sequence of modifications is to be inscribed along a closed inner contour.
- the second phase contributions 25B provided for such a phase correction can be adjusted accordingly in an adjustable SLM.
- the curvature of a deformable mirror can be adjusted.
- the adjustment can be based, for example, on measurements that are carried out during the beam processing.
- a correspondingly fast analysis unit for the geometry of the workpiece must be provided.
- a preliminary measurement of the geometry of the workpiece along the scanning trajectory can be carried out in a step 115 .
- the laser processing system can, for example, traverse the scanning trajectory to be traversed for the material processing without activating the laser beam source 1A for measuring the geometry of the workpiece.
- optics for beam shaping and phase compensation are shown as examples.
- these optics can also be implemented in a single optic (e.g. as a refractive/reflective free-form element or as a diffractive optical element) or in a hybrid optical element (cylindrical lens on the input side, axicon on the output side; "Zaxicon").
- the long focal length lens f1 of the telescope 13 A can be included in a hybrid axicon or in a diffractive optical element.
- a real focal zone such as a Bessel ray-like focal zone
- a virtual focal zone such as an inverse Bessel ray-like focal zone
- Workpieces such as tubes, cylinders or sections of a tube or cylinder, such as a half-tube or half-cylinder, can be machined with the machining methods described herein.
- the result of the laser-based workpiece processing is a workpiece into which a plurality of spaced modifications or modifications that merge into one another have been introduced.
- these are introduced all around (see FIG. 2) in order to divide the pipe into 2 sections (scanning along a circumferential outer contour).
- modifications can be introduced into a curved surface along an inner contour (see FIGS. 12A and 12B).
- the modifications may additionally form cracks in the material extending between adjacent modifications or generally randomly from one of the modifications into the material of the workpiece.
- the previously explained methods for material processing of a workpiece with a laser beam can represent a first part of a process for separating a workpiece with a curved surface into two parts.
- the workpiece After completion of the material processing with the laser beam, the workpiece has many modifications in the material, but there is often still a sufficient connection of unmodified material between the two parts.
- a second part of the separation process is necessary, in which these remaining connections are broken, in order to achieve the complete separation of the workpiece into two parts.
- a modification within the scope of this disclosure represents a structural change in the material of the workpiece, which converts the material, for example, from a non-etchable state of the unmodified material to an etchable state of the modified material. Accordingly, modifications can be characterized in particular by an increase in wet-chemical etchability compared to the unmodified material. Accordingly, the glass tube can be separated into two parts within the scope of a wet-thermal etching process. Such wet-chemical etching processes can be used in particular to remove material areas that have been cut out along an inner contour.
- Another approach to separating a workpiece into two parts can be based on the fact that a modification of the material can be accompanied by the formation of a likewise elongated cavity. If this is the case and if a sufficient number of cavities have been formed circumferentially in the glass tube, the glass tube can break (in particular spontaneously) along a weakening line formed by the sequence of cavities.
- FIG. 10 Another approach to parting a workpiece with a sequence of modifications uses thermally induced, thermally assisted, and/or thermally advanced cracking.
- FIG. 10 such an exemplary thermal separation process of machined workpieces is shown using the example of a glass tube 201 1, where the glass tube 201 has been modified using a non-diffracting beam along a circumferential trajectory, for example, at equally spaced positions.
- the laser processing system shown in FIG. 2 can additionally include a heat source 203 and/or a cooling source 205 for a thermally supported cutting process.
- the heat source 203 and/or the cooling source 205 can be provided as part of an independent separating device with the correspondingly required degrees of freedom.
- the heat source 203 and the cooling source 205 are designed to heat or cool the glass tube 201, in particular in the area of the modifications.
- local heating/cooling can be carried out in combination with a rotation of the glass tube (indicated by the arrow 206 in FIG. 10). Localized heating can be effected, for example, with a localized flame directed at the work piece or a CO2 laser beam directed at the work piece.
- a (local or large-area) cooling can be effected, for example, with a water-gas mixture that is sprayed onto the workpiece or, for example, flows through a cavity in the workpiece.
- the separation process can include three sub-steps 207A, 207B, 207C. These are illustrated schematically in FIGS. 10 and 11 for the case of a subdivision of a glass tube 201 into glass tube parts 201A, 21B.
- the glass tube 201 is thermally influenced in such a way that the glass tube 201 separates into the two glass tube parts 201A, 201B.
- step 207A in FIG. 10 one can see the glass tube 201 (shown in perspective) with an arrangement of symmetrical modifications 209.
- the modifications 209 extend, for example, from the surface of the glass tube 201 radially into the latter.
- the modifications 209 are present in a zone 209A which extends around the glass tube, for example in a circular manner.
- the arrangement of modifications 209 extends once around the glass tube 201, as can be seen from the enlarged (unrolled) section 211 of the surface of the glass tube 201.
- each of the modifications 209 has been written rotationally symmetrically into the material of the glass tube 201, for example with the help of a symmetrical Bessel-Gaussian beam, which, as a non-diffracting beam, covers the elongated focal zone in the material of the glass tube 201 to produce the modifications 209 trains.
- a symmetrical Bessel-Gaussian beam which, as a non-diffracting beam, covers the elongated focal zone in the material of the glass tube 201 to produce the modifications 209 trains.
- a symmetrical Bessel-Gaussian beam which, as a non-diffracting beam, covers the elongated focal zone in the material of the glass tube 201 to produce the modifications 209 trains.
- a symmetrical Bessel-Gaussian beam which, as a non-diffracting beam, covers the elongated focal zone in the material of the glass tube 201 to produce the modifications 209 trains.
- cracks 213 emanate from the modifications 209.
- the glass tube 201 is held in such a way that it can be continuously rotated by means of a rotation axis, for example around the cylinder axis.
- the modified zone 209A of the glass tube 201 is continuously heated. This can be done, for example, by a flame 203 A or a CO2 laser beam.
- the rotation speed can be selected in such a way that no significant cooling occurs during one revolution of the glass tube 201 . In this way, the glass tube 201 can be heated over the entire material thickness, so that the material of the glass tube 201 expands in this area.
- partial step 207B the surface of the glass tube 201 is now cooled as abruptly as possible. This can be done, for example, by cooling using a water-gas mixture 205A, which is sprayed onto a large area of the glass tube 201 while it continues to rotate.
- the temperature has cooled down considerably and a large temperature gradient forms with a minimum temperature on the surface of the glass tube 201 and a maximum temperature, for example in the area of zone 209A of the modifications 209 on the Inner wall of the glass tube 201 from. Due to the large temperature gradient, there is a tensile stress (arrow 215) on the surface of the glass tube 201, which causes an initial crack 217 to form on the surface of the glass tube 201 that runs as completely as possible.
- the initial crack 217 runs along the introduced modifications 209 and can partially/in sections be based on the cracks 213 that have already arisen when the modifications 209 were introduced.
- step 207C the glass tube 201 is heated from the outside (flame 203B) and optionally cooled from the inside by a water-gas mixture 205B' from a cooling source 205'.
- a temperature gradient now develops over the entire material thickness of the glass tube 201.
- the temperature gradient means that the initial crack 217 can propagate through the wall of the glass tube 201.
- the sub-step 207C is additionally illustrated schematically on a sectioned pipe with regard to the forces acting (arrows 219 for clarification of the tension due to cooling in the interior of the glass tube 201; Arrows 219B to illustrate the stress due to the heating of the outer area of the glass tube 201).
- the initial crack 217 transitions into a separating crack 221 which extends completely through the wall of the glass tube 201 . If the separation crack 221 runs completely around the glass tube 201, the glass tube has been completely separated into the parts 201A and 201B.
- phase imprint in addition to an intensity distribution in a focal zone that causes a single symmetrical modification, a phase imprint can be carried out, e.g. with a diffractive optical element, which leads to an intensity distribution in the focal zone that has an asymmetric (e.g. in one direction flattened) modification or several modifications running parallel to each other (see image (c) of FIG. 1).
- the modification or the arrangement of modifications can be generated with a laser pulse or a group of laser pulses.
- Exemplary phase imprints and intensity distributions are, for example, in the German patent application 10 2019 128 362.0, "Segmented beam shaping element and laser processing system", with the application date October 21, 2019 by the applicant, and in K. Chen et al., "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams", arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 revealed.
- Such asymmetric modifications or arrays of modifications may also be utilized with the concepts disclosed herein for processing materials having curved surfaces.
- beam shaping which is to be carried out for such asymmetrical modifications, can also be combined with phase correction, which can correct the influence on the phase distribution when entering the material.
- FIG. 11 illustrates a thermal separation process similar to the separation process described in connection with FIG. 10 for such asymmetric modifications using the example of an elliptically flattened modification, with three corresponding partial steps 307A, 307B, 307C being carried out.
- the corresponding reference numbers are used in FIG. 11, with the exception of asymmetric modifications 309, a modification zone 309A extending along the modifications 309 and cracks 313 (see sub-step 207A in Fig. 11).
- the cracks 313 can form to a greater extent along the array of asymmetrical modifications 309. Compared to randomly distributed cracks, the cracks 313 may partially overlap or at least protrude closer together (as illustrated in Figure 11).
- an initial crack 317 is shown—similar to the initial crack 217 of FIG. Due to the preferred direction of the cracks 313, the formation of the initial crack 317 in the partial step 207B and the formation of a separating crack 321 in the partial step 207C can be simplified.
- FIGS. 12A, 12B illustrate schematically machined workpieces in which a sequence of modifications was introduced into a pipe wall along an inner contour as a scanning trajectory.
- FIG. 12A shows a tube section 51 extending in a longitudinal direction (y-direction) with a constant outer radius and a wall thickness in the range of 1 mm.
- a substantially circular opening 53 was produced in the pipe section 51 on a lateral surface (the outer surface of the pipe section 51 ) by inscribing a row of modifications along a closed inner contour 55 . Due to the constant curvature, a phase-correcting beam shaping, once set, could be retained unchanged during the writing process. After the inscription process, a wet etching process was carried out so that the area of the tube section 51 inside the inner contour 53 was completely separated from the surrounding material and could be removed accordingly.
- the ends 51A, 51B of the pipe section 51 shown in FIG. 12A can each be the result of a circumferential contour cut.
- FIG. 12B shows a conically tapering hollow body 57, in which the radius of curvature of an outside of the wall increases in the y-direction; ie, the hollow body 57 reduces in radius along the y Direction example linear with a substantially constant wall thickness of 1 mm.
- the curvature to be corrected varies as a function of the y position.
- an essentially circular opening 53' was produced in the hollow body 57 by inscribing a row of modifications in the wall along a closed inner contour 55'. Due to the varying curvature, the phase-correcting beamforming was used along the scanning trajectory.
- a y-dependent adaptation of the phase-correcting beam formation can be undertaken.
- the variation in curvature can be detected during processing along the scanning trajectory and the phase-correcting beam shaping can be adjusted accordingly.
- the closed inner contour 55' can be traversed separately before the laser processing in order to store the corresponding curvature data in the control unit and to set the phase-correcting beam shaping accordingly.
- the ends 57A, 57B of the hollow body 57 can also represent, for example, the result of circumferential contour cuts, it being possible for each of the contour cuts to be carried out with its own phase-correcting beam shaping, adapted to the curvature present in each case.
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Abstract
A method is disclosed for processing the material of a workpiece (9) using a laser beam (3), wherein the workpiece (9) comprises a material which is largely transparent to the laser beam (3) and which has a curved surface (9A). The method comprises the steps of: beam shaping (step 101) the laser beam (3) to form an elongate focal zone (7) in the material of the workpiece (9), the beam shaping being carried out using an arrangement of diffractive and/or refractive optical units and comprising: - focus-forming beam shaping (step 101A), which brings about an arrival of beam components (3A) at an arrival angle (δ') at a beam axis (5) of the laser beam (3) to form the elongate focal zone (7) along the beam axis (5) in the workpiece (9) by interference, and - phase-correcting beam shaping (step 101B), which counteracts influencing of the interference by an entry of the laser beam (3) into the workpiece (9), and adjusting (step 105) beam parameters of the laser beam (3) in such a way that the material of the workpiece (9) is modified in the elongate focal zone (7).
Description
LASERBEARBEITUNG EINES WERKSTÜCKS MIT EINER GEKRÜMMTEN OBERFLÄCHE LASER MACHINING OF A WORKPIECE WITH A CURVED SURFACE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche wie eines Glasrohrs oder eines Glaszylinders mit einem Laserstrahl. Ferner betrifft die Erfindung ein optisches System und eine Laserbearbeitungsanlage mit einem optischen System. The present invention relates to a method for material processing of a workpiece with a curved surface, such as a glass tube or a glass cylinder, using a laser beam. Furthermore, the invention relates to an optical system and a laser processing system with an optical system.
Bei der Laserbearbeitung eines Materials, das im Wesentlichen transparent für die Laserstrahlung ist und hierin als transparentes Material bezeichnet wird, können mit Laserstrahlung Modifikationen in dem Material erzeugt werden. Eine im Volumen des Materials eintretende Absorption (kurz Volumenabsorption) der Laserstrahlung kann bei transparenten Materialen eine langgezogene Modifikation der Struktur des Materials bewirken. Modifikationen in der Struktur des Materials können beispielsweise zum Bohren, zum Trennen durch induzierte Spannungen, zum Bewirken einer Modifikation des Brechungsverhaltens oder für selektives Laserätzen eingesetzt werden. Siehe hierzu zum Beispiel die Anmeldungen WO 2016/079062 Al, WO 2016/079063 Al und WO 2016/079275 Al der Anmelderin. When laser processing a material that is essentially transparent to the laser radiation, referred to herein as a transparent material, modifications can be produced in the material with laser radiation. An absorption occurring in the volume of the material (volume absorption for short) of the laser radiation can cause a long-drawn-out modification of the structure of the material in the case of transparent materials. Modifications in the structure of the material can be used, for example, for drilling, separating by induced stresses, effecting a modification of the refractive behavior or for selective laser etching. See for example the applications WO 2016/079062 A1, WO 2016/079063 A1 and WO 2016/079275 A1 of the applicant.
So werden z.B. Ultrakurzpulslaser-basierte Glasmodifikationsprozesse zum Trennen von Glas häufig mit langgezogenen Fokusverteilungen durchgeführt, wie sie z.B. bei nicht-beugenden Strahlen gegeben sind. Derartige langgezogene Fokusverteilungen werden z.B. aufgrund von Interferenz von von außen einlaufenden Strahlanteilen gebildet und können im Material längliche Modifikationen ausbilden, wie dies z.B. bei Bessel-ähnlichen Strahlen der Fall ist. For example, ultra-short pulse laser-based glass modification processes for cutting glass are often carried out with elongated focus distributions, such as those found with non-diffracting beams. Such elongated focus distributions are formed, for example, due to interference from beam components arriving from outside and can form elongated modifications in the material, as is the case, for example, with Bessel-like beams.
Strahlformungselemente und Optik- Aufbauten, mit denen in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene, schlanke Strahlprofile mit hohem Aspektverhältnis für die Laserbearbeitung bereitgestellt werden können, werden z.B. in der genannten WO 2016/079275 Al beschrieben. Beam-shaping elements and optics structures with which long, slim beam profiles with a high aspect ratio can be provided for laser processing in the direction of beam propagation are described, for example, in the cited WO 2016/079275 A1.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche wie die Laserbearbeitung eines Glasrohrs oder eines Glaszylinders mit einer langgezogenen Fokuszone zu ermöglichen. Insbesondere sollen Strahlformungsansätze, wie sie für die Laserbearbeitung von planen Werkstücken entwickelt wurden, auch bei Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen einsetzbar werden. Einem
weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein laserbearbeiteter Körper/Hohlkörper in zwei Abschnitte getrennt werden kann. One aspect of this disclosure is based on the object of enabling laser processing of a workpiece with a curved surface, such as laser processing of a glass tube or a glass cylinder with an elongated focal zone. In particular, beam shaping approaches, such as those developed for the laser processing of flat workpieces, should also be applicable to workpieces with curved surfaces. one Another aspect of this disclosure is based on the object of specifying a method with which a laser-machined body/hollow body can be separated into two sections.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 1, ein optisches System nach Anspruch 16 und durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 21. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. At least one of these objects is achieved by a method for material processing of a workpiece according to claim 1, an optical system according to claim 16 and by a laser processing system according to claim 21. Further developments are specified in the dependent claims.
In einem Aspekt werden Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl, insbesondere mit ultrakurzen Laserpulsen, offenbart, wobei das Werkstück ein weitgehend für den Laserstrahl transparentes Material mit einer gekrümmten Oberfläche aufweist. Die Verfahren umfassen die Schritte: In one aspect, methods for material processing of a workpiece with a pulsed laser beam, in particular with ultra-short laser pulses, are disclosed, the workpiece having a material with a curved surface that is largely transparent to the laser beam. The procedures include the steps:
Strahlformen des Laserstrahls zum Ausbilden einer (insbesondere in Ausbreitungsrich- tung/entlang einer Strahlachse) langgezogenen Fokuszone in dem Material des Werkstücks, wobei das Strahlformen mit einer Anordnung von diffraktiven, reflektiven und/oder refrakti- ven Optiken durchgeführt wird. Das Strahlformen umfasst: Beam shaping of the laser beam to form an elongated focal zone (in particular in the direction of propagation/along a beam axis) in the material of the workpiece, the beam shaping being carried out with an arrangement of diffractive, reflective and/or refractive optics. Beam shaping includes:
- eine fokusbildende Strahlformung, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück durch Interferenz bewirkt, und - Focus-forming beam shaping, which causes beam components to run in at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for forming the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece by interference, and
- eine phasenkorrigierende Strahlformung, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegenwirkt, und- a phase-correcting beam shaping, which counteracts an influence on the interference by an entry of the laser beam into the workpiece, and
Einstellen von Strahlparameter des Laserstrahls derart, dass das Material des Werkstücks in der langgezogenen Fokuszone modifiziert wird. Setting beam parameters of the laser beam in such a way that the material of the workpiece is modified in the elongated focal zone.
In einem weiteren Aspekt werden optische System zum Strahlformen eines gepulsten Laserstrahls, insbesondere von ultrakurzen Laserpulsen, für eine Ausbildung einer Fokuszone in einem Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche offenbart, wobei die Fokuszone entlang einer Strahlachse des Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist. Die optischen Systeme umfasst eine fokusbildende Optik, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück durch Interferenz bewirkt. Eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegenwirkt, ist mit einer phasenkorrigierenden Optik vorgesehen oder in die fokusbildende Optik integriert. Mit anderen Worten umfassen die optischen Systeme eine phasenkorrigierende
Optik, die eine Phasenkorrektur bewirkt, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegenwirkt, oder eine derartige Phasenkorrektur ist in die fokusbildende Optik integriert. Another aspect discloses optical systems for beam shaping of a pulsed laser beam, in particular ultra-short laser pulses, for forming a focal zone in a workpiece with a curved surface, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam. The optical system includes focus-forming optics, which causes beam components to arrive at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for formation of the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece through interference. A phase correction, which counteracts the interference caused by the laser beam entering the workpiece, is provided with phase-correcting optics or is integrated into the focus-forming optics. In other words, the optical systems include a phase correcting Optics that provide phase correction to counteract the interference caused by entry of the laser beam into the workpiece, or such phase correction is incorporated into the focus-forming optics.
In einem weiteren Aspekt werden Laserbearbeitungsanlagen für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl, insbesondere mit ultrakurzen Laserpulsen, durch Modifizieren eines Materials des Werkstücks in einer Fokuszone des Laserstrahls offenbart, wobei die Fokuszone entlang einer Strahlachse des Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist und das Werkstück ein weitgehend für den Laserstrahl transparentes Material mit einer gekrümmten Oberfläche aufweist. Die Laserbearbeitungsanlagen umfassen eine Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl ausgibt, ein wie zuvor beschriebenes optisches System und einer Werkstückhalterung zur Lagerung des Werkstücks. In a further aspect, laser processing systems for processing a workpiece with a pulsed laser beam, in particular with ultra-short laser pulses, are disclosed by modifying a material of the workpiece in a focal zone of the laser beam, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam and the workpiece largely material transparent to the laser beam with a curved surface. The laser processing equipment includes a laser beam source that emits a laser beam, an optical system as described above, and a workpiece holder for supporting the workpiece.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann die gekrümmte Oberfläche in einer Richtung gekrümmt sein, und das Strahlformen des Laserstrahls kann ein Aufprägen mindestens einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf den Laserstrahl zum Ausbilden einer langgezogenen Fokuszone in dem Material des Werkstücks umfassen, wobei die mindestens eine Phasenverteilung In some developments of the method, the curved surface can be curved in one direction, and the beam shaping of the laser beam can include impressing at least one two-dimensional phase distribution on the laser beam to form an elongated focal zone in the material of the workpiece, the at least one phase distribution
- für die fokusbildende Strahlformung erste Phasenbeiträge, die das Einlaufen von Strahlanteilen unter dem Einlaufwinkel bewirken (und insbesondere einen nicht-beugenden Strahl für die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück erzeugen), und - for the focus-forming beam formation, first phase contributions, which cause the arrival of beam components at the angle of arrival (and in particular generate a non-diffracting beam for the formation of the elongated focal zone along the beam axis in the workpiece), and
- für die phasenkorrigierende Strahlformung zweite Phasenbeiträge, die eine vom Laserstrahl bei einem Eintritt in das Werkstück lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben, umfassen kann. - Second phase contributions for the phase-correcting beam formation, which cancel out an entry phase locally accumulated by the laser beam when entering the workpiece.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann die lokal akkumulierte Eintrittsphase für eine Ausrichtung der Strahlachse entlang einer Normalenrichtung der Oberfläche an einem Auftreffpunkt der Strahlachse auf die Oberfläche bestimmt sein und den Einlaufwinkel, einen Krümmungsradius der Oberfläche am Auftreffpunkt und - einen Brechungsindex des Werkstücks berücksichtigen. In some developments of the method, the locally accumulated entry phase for an alignment of the beam axis along a normal direction of the surface at a point of impact of the beam axis on the surface can be determined and take into account the angle of arrival, a radius of curvature of the surface at the point of impact and a refractive index of the workpiece.
Allgemein wird hierin unter dem Auftreffpunkt der Schnittpunkt der optischen Achse des Laserstrahls mit dem Werkstück (beispielsweise das zu bearbeitende Substrat) verstanden.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren können die zweiten Phasenbeiträge eine zu einer Symmetrieachse achsensymmetrische Phasenverteilung ausbilden, wobei die zweiten Phasenbeiträge parallel zur Symmetrieachse konstant sind und sich senkrecht zur Symmetrieachse verändern. Die Verfahren können ferner den Schritt aufweisen: In general, the point of impact is understood here as the point of intersection of the optical axis of the laser beam with the workpiece (for example the substrate to be processed). In some developments of the method, the second phase contributions can form a phase distribution that is axisymmetric to an axis of symmetry, the second phase contributions being constant parallel to the axis of symmetry and changing perpendicularly to the axis of symmetry. The methods may further include the step:
Ausrichten der achsensymmetrische Phasenverteilung und des Werkstücks derart zueinander, dass die Symmetrieachse unter Berücksichtigung eines Strahlengangs zwischen einem Ort des Aufprägens der achsensymmetrischen Phasenverteilung und dem Werkstück orthogonal zu einer Ebene verläuft, in der ein Krümmungsradius der Oberfläche definiert ist. aligning the axisymmetric phase distribution and the workpiece to each other such that the axis of symmetry is orthogonal to a plane in which a radius of curvature of the surface is defined, taking into account an optical path between a place of impressing the axisymmetric phase distribution and the workpiece.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren können die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement auf ein transversales Strahlprofil des Laserstrahls aufgeprägt werden, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente aufweist, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und wobei die Phasenschiebungswerte die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge bewirken. In some developments of the method, the first phase contributions and/or the second phase contributions can be impressed onto a transverse beam profile of the laser beam using a diffractive optical beam-shaping element, with the diffractive optical beam-shaping element having surface elements that adjoin one another and build up a surface grating structure in which each surface element has a phase shift value is assigned, and wherein the phase shift values bring about the first phase contributions and/or the second phase contributions.
In einigen Weiterbildungen können die Verfahren ferner die Schritte umfassen: Einstrahlendes Laserstrahls auf die Oberfläche entlang eines Strahlengangs eines optischen Systems, das den Laserstrahl in das Material des Werkstücks zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone abbildet, und/oder In some developments, the methods can also include the steps: irradiating the laser beam onto the surface along a beam path of an optical system that images the laser beam into the material of the workpiece to form the elongated focal zone, and/or
Ausrichten der Strahlachse des Laserstrahls zu einer Normalenrichtung der Oberfläche derart, dass die Strahlachse in einem Winkelbereich von 5° um die Normalenrichtung, auf die Oberfläche auftrifft. Aligning the beam axis of the laser beam to a normal direction of the surface in such a way that the beam axis impinges on the surface in an angular range of 5° around the normal direction.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann die phasenkorrigierende Strahlformung durch eine Zylinderlinse erzeugt werden, die vor oder nach einer die fokusbildende Strahlformung bewirkenden Optik in einem Strahlengang des Laserstrahls positioniert ist. Die Zylinderlinse kann einen Krümmungsradius aufweisen, der an einen Krümmungsradius der Oberfläche des Werkstücks angepasst ist. In some developments of the method, the phase-correcting beam shaping can be generated by a cylindrical lens, which is positioned in a beam path of the laser beam before or after an optical system that effects the focus-forming beam shaping. The cylindrical lens can have a radius of curvature that is adapted to a radius of curvature of the surface of the workpiece.
Berücksichtigt man, dass bei der Durchführung des Verfahrens zur Materialbearbeitung die langgezogene Fokuszone schon vor der Eintrittsoberfläche des Werkstücks beginnt (Az größer
0) oder der Beginn der langgezogenen Fokuszone in das Werkstück hineinfällt (Az kleiner 0), ergeben sich folgende näherungsweisen Definitionen des Krümmungsradius der Oberfläche der Zylinderlinse, die jeweils für Az = 0 der nachfolgend aufgeführten Bedingung entspricht: If you take into account that when carrying out the material processing method, the elongated focal zone begins before the entry surface of the workpiece (Az larger 0) or the beginning of the elongated focus zone falls into the workpiece (Az less than 0), the following approximate definitions of the radius of curvature of the surface of the cylindrical lens result, which corresponds to the following condition for Az = 0:
2 12 1
Ausführungsform Az > 0 (mit den Parametern a = 5060 mm und b = 9645 mm ):
Embodiment Az > 0 (with the parameters a = 5060 mm and b = 9645 mm):
Ausführungsform Az < 0 (mit den Parametern c = 284 mm'^ und d = 590):
jeweils mit Embodiment Az < 0 (with the parameters c = 284 mm'^ and d = 590): each with
Rz Krümmungsradius/Zylinderradius der Zylinderlinse, nz Brechungsindex der Zylinderlinse, Rz radius of curvature/radius of cylinder of cylindrical lens, nz index of refraction of cylindrical lens,
Rw Krümmungsradius/ Außenradius Ra der Oberfläche, nw Brechungsindex des Materials des Werkstücks und Rw radius of curvature/ outer radius Ra of the surface, nw refractive index of the material of the workpiece and
M Abbildungsfaktor des Strahlengangs zwischen einem Ort der fokusbildenden Strahlformung und dem Werkstück. M Image factor of the beam path between a location of focus-forming beam shaping and the workpiece.
Die Zylinderlinse kann im Spezialfall z = 0 einen Krümmungsradius aufweisen, der an einen Krümmungsradius der Oberfläche des Werkstücks derart angepasst ist, dass gilt:
wieder mit In the special case z=0, the cylindrical lens can have a radius of curvature which is adapted to a radius of curvature of the surface of the workpiece in such a way that: again with
Rz Krümmungsradius/Zylinderradius der Zylinderlinse, nz Brechungsindex der Zylinderlinse, Rz radius of curvature/radius of cylinder of cylindrical lens, nz index of refraction of cylindrical lens,
Rw Krümmungsradius/ Außenradius Ra der Oberfläche, nw Brechungsindex des Materials des Werkstücks und Rw radius of curvature/ outer radius Ra of the surface, nw refractive index of the material of the workpiece and
M Abbildungsfaktor des Strahlengangs zwischen einem Ort der fokusbildenden Strahlformung und dem Werkstück.
Die vorausgehende Darstellung des Krümmungsradius Rz der Oberfläche der Zylinderlinse gilt für die Ausführungsform, dass bei der Durchführung des Verfahrens zur Materialbearbeitung der Beginn der langgezogenen Fokuszone mit der Eintrittsoberfläche des Werkstücks zusammenfällt. D. h., es liegt keine Verschiebung Az des Beginns der langgezogenen Fokuszone zur Eintrittsoberfläche vor (Az = 0). In diesem Spezialfall liegt die (abgebildete) Axiconspitze virtuell auf der Oberfläche des Werkstücks. M Image factor of the beam path between a location of focus-forming beam shaping and the workpiece. The preceding description of the radius of curvature Rz of the surface of the cylindrical lens applies to the embodiment in which the beginning of the elongated focal zone coincides with the entry surface of the workpiece when the method for material processing is carried out. That is, there is no shift Az of the beginning of the elongated focal zone to the entrance surface (Az=0). In this special case, the axicon tip (shown) lies virtually on the surface of the workpiece.
Unmittelbar nach der Spitze hat der nicht-beugende Strahl allerdings noch keine hohe Intensi- täte und eine durchgehende Bearbeitung des Werkstücks von der Oberseite bis zur Rückseite wäre nicht möglich. Stattdessen kann man beispielsweise die (abgebildete) Axiconspitze 100 pm bis 200pm vor die Oberfläche (Az im Bereich vonlOO pm bis 200pm, d.h. Az > 0). Entsprechend wäre die Abschätzung des Krümmungsradius der Zylinderlinse basierend auf den Parametern a, b zu verwenden. However, immediately after the tip, the non-diffracting beam is not yet of high intensity and a continuous processing of the workpiece from the top to the back would not be possible. Instead, one can, for example, place the axicon tip (pictured) 100 pm to 200 pm in front of the surface (Az in the range 100 pm to 200 pm, i.e. Az > 0). Correspondingly, the estimation of the radius of curvature of the cylindrical lens based on the parameters a, b would have to be used.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann das Strahlformen des Laserstrahls mit einer Aufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf ein transversales Strahlprofil eines Ausgangslaserstrahls durchgeführt werden mit: In some developments of the method, the beam shaping of the laser beam can be carried out by impressing a two-dimensional phase distribution on a transverse beam profile of an output laser beam with:
- einem diffraktiven optischen Strahlformungselement, das festeingestellte oder einstellbare Phasenwerte in einer zweidimensionalen Anordnung aufweist; oder - a diffractive optical beam-shaping element having fixed or adjustable phase values in a two-dimensional array; or
- einer Kombination einer Zylinderlinse mit einem Axicon; oder - a combination of a cylindrical lens with an axicon; or
- einer Kombination einer Zylinderlinse mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement, das festeingestellte oder einstellbare Phasenwerte in einer zweidimensionalen Anordnung aufweist, die zum Aufprägen einer einen nicht-beugenden Strahl bewirkenden Phasenverteilung, insbesondere einer Bessel-Strahl-artigen Phasenverteilung, für die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone ausgebildet ist. - a combination of a cylindrical lens with a diffractive optical beam-shaping element, which has fixed or adjustable phase values in a two-dimensional arrangement, which is designed to impress a phase distribution causing a non-diffracting beam, in particular a Bessel beam-like phase distribution, for the formation of the elongated focal zone is.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann das Strahlformen des Laserstrahls mit einer einzelnen Optik durchgeführt werden, die als ein refraktives Freiformoptikelement oder ein hybrides Optikelement, insbesondere eine Optikeinheit aus einer eingangsseitigen Zylinderlinse und einem ausgangsseitigen Axicon, ausgebildet ist. In some developments of the method, the beam shaping of the laser beam can be carried out with a single optic, which is designed as a refractive free-form optic element or a hybrid optic element, in particular an optic unit consisting of an input-side cylindrical lens and an output-side axicon.
In einigen Weiterbildungen können die Verfahren ferner den Schritt umfassen: In some developments, the methods can further include the step:
Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone, bei der die Fokuszone entlang einer Abtasttrajektorie im Material des Werkstücks positioniert wird,
sodass eine Mehrzahl von Modifikationen in das Material des Werkstücks entlang der Abtast- trajektorie eingeschrieben werden. effecting a relative movement between the workpiece and the focal zone, during which the focal zone is positioned along a scanning trajectory in the material of the workpiece, so that a plurality of modifications are written into the material of the workpiece along the scanning trajectory.
Dabei kann das Werkstück als Rohr, Zylinder oder Abschnitt eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, ausgebildet sein, und die Relativbewegung kann eine Rotationsbewegung des Werkstücks umfassen. Die Strahlachse des Laserstrahls kann insbesondere durch eine Längsachse des Werkstücks verlaufen. Ferner kann bei einer reinen Rotationsbewegung um eine Längsachse des Werkstücks die Abtasttrajektorie des Laserstrahls in einer Ebene der maximalen Krümmung der Oberfläche des Werkstücks verlaufen. Alternativ oder ergänzend kann zusätzlich oder abschnittsweise eine Translationsbewegung in Richtung der Längsachse des Werkstücks erfolgen. In this case, the workpiece can be in the form of a tube, cylinder or section of a tube or cylinder, such as a half-tube or half-cylinder, and the relative movement can comprise a rotational movement of the workpiece. The beam axis of the laser beam can in particular run through a longitudinal axis of the workpiece. Furthermore, in the case of a purely rotational movement about a longitudinal axis of the workpiece, the scanning trajectory of the laser beam can run in a plane of maximum curvature of the surface of the workpiece. As an alternative or in addition, a translational movement in the direction of the longitudinal axis of the workpiece can additionally or partially take place.
In einigen Weiterbildungen kann die Abtasttrajektorie eine Außenkontur zum Unterteilen des Werkstücks in zwei Teile entlang einer Längsachse des Werkstücks sein. Alternativ kann die Abtasttrajektorie als eine auf eine Oberfläche des Werkstücks geschlossene Innenkontur zum Auslösen eines durch die Innenkontur abgegrenzten Bereichs ausgebildet sein. In some developments, the scanning trajectory can be an outer contour for dividing the workpiece into two parts along a longitudinal axis of the workpiece. Alternatively, the scanning trajectory can be embodied as an inner contour closed on a surface of the workpiece for triggering a region delimited by the inner contour.
In einigen Weiterbildungen können die Verfahren ferner den Schritt umfassen: In some developments, the methods can further include the step:
Überwachen und Regeln einer Position der Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse auf eine Soll-Position. Monitoring and controlling a position of the surface of the workpiece along the beam axis to a target position.
Dabei, kann das Überwachen und Regeln insbesondere durchgeführt werden, falls bei einer Rotationsbewegung eine Rotationsachse von einer Rotationssymmetrieachse der Oberfläche des Werkstücks abweicht und/oder die Oberfläche des Werkstücks zumindest abschnittsweise von einem rotationssymmetrischen Oberflächenverlauf abweicht. The monitoring and regulation can be carried out in particular if, during a rotational movement, a rotational axis deviates from an axis of rotational symmetry of the surface of the workpiece and/or the surface of the workpiece deviates at least in sections from a rotationally symmetrical surface profile.
In einigen Weiterbildungen können die Verfahren ferner ein Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung an eine Änderung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang der Abtasttrajektorie des Laserstrahls umfassen. Beispielsweise kann ein Steuerungssignal zum Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung anhand einer Vorvermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang der Trajektorie und/oder anhand einer Onlinevermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche während einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone entlang der Abtasttrajektorie abgeleitet werden. Das Steuerungssignal kann dann an ein einstellbares strahlformendes Element wie an einen räumliche Lichtmodulator oder an einen deformierbaren Spiegel ausgegeben werden, um für die phasenkorrigierende Strahlformung die zweiten Phasenbeiträge anzupassen.
In einigen Weiterbildungen können die optischen Systeme dazu eingerichtet sein, eine zweidimensionale Phasenverteilung auf den Laserstrahl aufzuprägen und diesen als einen einen nicht-beugenden Strahl formenden Laserstrahl, insbesondere einen realen oder virtuellen Bes- sel-artigen, auszugeben, wobei die fokusbildende Optik erste Phasenbeiträge der Phasenverteilung erzeugen kann, und die phasenkorrigierende Optik oder die Phasenkorrektur zweite Phasenbeiträge der Phasenverteilung erzeugen kann, die eine vom Laserstrahl bei einem Eintritt in das Werkstück lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben. In some developments, the methods may further include adjusting the phase-correcting beam shaping to a change in curvature of the curved surface along the scanning trajectory of the laser beam. For example, a control signal for adjusting the phase-correcting beam shaping can be derived based on a pre-measurement of a curvature of the curved surface along the trajectory and/or based on an online measurement of a curvature of the curved surface during a relative movement between the workpiece and the focal zone along the scanning trajectory. The control signal can then be output to an adjustable beam-shaping element, such as a spatial light modulator or deformable mirror, to adjust the second phase contributions for phase-correcting beam-shaping. In some developments, the optical systems can be set up to impress a two-dimensional phase distribution on the laser beam and to output it as a laser beam that forms a non-diffracting beam, in particular a real or virtual Bessel-like one, with the focus-forming optics first phase contributions of the Can generate phase distribution, and the phase-correcting optics or the phase correction can generate second phase contributions to the phase distribution, which cancel an entry phase locally accumulated by the laser beam when entering the workpiece.
In einigen Weiterbildungen der optischen Systeme können die fokusbildende Optik und/oder die phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung als ein diffraktives optisches Strahlformungselement ausgebildet sein, das dazu eingerichtet ist, die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge auf ein transversales Strahlprofil des Laserstrahls aufzuprägen. Das diffraktive optische Strahlformungselement kann aneinander angrenzende Flächenelemente aufweisen, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und wobei die Phasenschiebungswerte die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann die fokusbildende Optik als ein Axicon ausgebildet sein, das die fokusbildenden Phasenbeiträge erzeugt. Ferner kann alternativ oder zusätzlich die phasenkorrigierende Optik als eine Zylinderlinse ausgebildet sein, die die zweiten Phasenbeiträge erzeugt und direkt vor oder nach der fokusbildenden Optik im Strahlengang des Laserstrahls positioniert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die fokusbildende Optik als ein refraktives Freiformelement ausgebildet sein, das die ersten Phasenbeiträge und die zweiten Phasenbeiträge erzeugt. Alternativ oder zusätzlich können die fokusbildende Optik und die phasenkorrigierende Optik als eine hybride Optik ausgebildet sein, das die ersten Phasenbeiträge und die zweiten Phasenbeiträge erzeugt und insbesondere als eine Kombination aus einer eingangsseitigen Zylinderlinse und einem ausgangsseitigen Axicon ausgebildet ist. In some developments of the optical systems, the focus-forming optics and/or the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution can be designed as a diffractive optical beam-shaping element that is set up to impress the first phase contributions and/or the second phase contributions on a transverse beam profile of the laser beam . The diffractive optical beam-shaping element can have surface elements adjoining one another, which build up a surface grating structure in which each surface element is assigned a phase shift value, and the phase shift values bring about the first phase contributions and/or the second phase contributions. Alternatively or additionally, the focus-forming optics can be designed as an axicon that generates the focus-forming phase contributions. Furthermore, as an alternative or in addition, the phase-correcting optics can be designed as a cylindrical lens, which generates the second phase contributions and is positioned directly before or after the focus-forming optics in the beam path of the laser beam. Alternatively or additionally, the focus-forming optics can be designed as a refractive free-form element that generates the first phase contributions and the second phase contributions. Alternatively or additionally, the focus-forming optics and the phase-correcting optics can be embodied as hybrid optics that generate the first phase contributions and the second phase contributions and are embodied in particular as a combination of an input-side cylindrical lens and an output-side axicon.
In einigen Weiterbildungen der optischen Systeme kann die phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung als in der zweidimensionalen Phasenverteilung einstellbares optisches Element ausgebildet sein. Sie kann z.B. als ein diffraktives optisches Strahlformungselement wie ein räumlicher Lichtmodulator oder ein deformierbarer Zylinderspiegel ausgebildet sein. Ferner kann das einstellbare optische Element für
eine Anpassung der Phasenkorrekturen bei einer Änderung einer zu korrigierenden Krümmung der gekrümmten Oberfläche in Abhängigkeit eines Steuerungssignals ausgebildet sein. In some developments of the optical systems, the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution can be designed as an optical element that can be adjusted in the two-dimensional phase distribution. It can be designed, for example, as a diffractive optical beam-shaping element such as a spatial light modulator or a deformable cylinder mirror. Furthermore, the adjustable optical element for an adaptation of the phase corrections when there is a change in a curvature of the curved surface to be corrected, depending on a control signal.
In einigen Weiterbildungen können die optischen Systeme ferner umfassen: eine Teleskopanordnung zum Verkleinern einer realen oder virtuellen Fokuszone, die der fokusbildenden Optik zugeordnet ist, und/oder einen Abstandssensor, der dazu eingerichtet ist, eine Position einer Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse zu bestimmen. In some developments, the optical systems can also include: a telescope arrangement for reducing a real or virtual focal zone that is assigned to the focus-forming optics, and/or a distance sensor that is set up to determine a position of a surface of the workpiece along the beam axis.
In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlagen das optische System und/oder die Werkstückhalterung dazu eingerichtet sein: In some developments of the laser processing systems, the optical system and/or the workpiece holder can be set up to:
- die Strahlachse des Laserstrahls zu einer Normalenrichtung der Oberfläche derart auszurichten, dass die Strahlachse in einem Winkelbereich von 5° um die Normalenrichtung, bevorzugt entlang der Normalenrichtung, auf die Oberfläche auftrifft, und/oder - aligning the beam axis of the laser beam to a normal direction of the surface in such a way that the beam axis impinges on the surface in an angular range of 5° around the normal direction, preferably along the normal direction, and/or
- eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone zu bewirken, bei der die Fokuszone entlang einer Abtasttrajektorie im Material des Werkstücks positioniert wird, wobei die Ausrichtung der Strahlachse zur Normalenrichtung an den Verlauf der Oberfläche angepasst wird. - bring about a relative movement between the workpiece and the focal zone, in which the focal zone is positioned along a scanning trajectory in the material of the workpiece, the alignment of the beam axis to the normal direction being adapted to the course of the surface.
In einigen Weiterbildungen umfassen die Laserbearbeitungsanlagen ferner eine Abstandssensor, der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position einer Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse zu bestimmen, und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Position der Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse mit dem Abstandssensor zu überwachen und auf eine Soll-Position zu regeln. In some developments, the laser processing systems also include a distance sensor that is arranged and set up to determine a position of a surface of the workpiece along the beam axis, and a controller that is set up to determine a position of the surface of the workpiece along the beam axis with the distance sensor to monitor and regulate to a target position.
In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlagen kann das optische System eine phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf- weisen, die in der zweidimensionalen Phasenverteilung einstellbar ausgebildet ist. Dazu kann die Laserbearbeitungsanlage ferner eine Steuerung umfassen, die dazu eingerichtet ist, an das einstellbare optische Element ein Steuerungssignal auszugeben, das die zweidimensionale Phasenverteilung an eine zu korrigierende Krümmung der gekrümmten Oberfläche des Werkstücks anpasst. Das Steuerungssignal kann insbesondere anhand einer Vorvermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang einer Abtasttrajektorie oder anhand einer
Onlinevermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche während einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone entlang einer Abtasttrajektorie bereitgestellt werden, insbesondere von der Steuerungseinheit abgeleitet werden. In some developments of the laser processing systems, the optical system can have phase-correcting optics for phase imprinting of a two-dimensional phase distribution, which is designed to be adjustable in the two-dimensional phase distribution. For this purpose, the laser processing system can also include a controller that is set up to output a control signal to the adjustable optical element that adapts the two-dimensional phase distribution to a curvature of the curved surface of the workpiece that is to be corrected. The control signal can in particular based on a pre-measurement of a curvature of the curved surface along a scanning trajectory or based on a Online measurement of a curvature of the curved surface can be provided during a relative movement between the workpiece and the focal zone along a scanning trajectory, in particular derived from the control unit.
In einigen Weiterbildungen können die Laserbearbeitungsanlagen ferner einen Abstandssensor aufweisen, der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position einer Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse zu bestimmen. Ferner können die Laserbearbeitungsanlagen eine Steuerung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Position der Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse mit dem Abstandssensor zu überwachen und auf eine Soll-Position zu regeln. In some developments, the laser processing systems can also have a distance sensor that is arranged and set up to determine a position of a surface of the workpiece along the beam axis. Furthermore, the laser processing systems can have a controller that is set up to monitor a position of the surface of the workpiece along the beam axis with the distance sensor and to regulate it to a target position.
Zusammengefasst kann gemäß den hierin offenbarten Konzepten ein Prozess zur Laserbearbeitung von transparenten Materialien mit gekrümmten Oberflächen umgesetzt werden. Das zugrundeliegende Optikkonzept erlaubt beispielsweise das Bearbeiten von Glasröhren mit Radien kleiner 15 mm, z.B. mit Radien von wenigen Millimetern, wie 5 mm in langgezogenen Fokuszonen von einigen 10 pm bis zu einigen Millimetern. In summary, according to the concepts disclosed herein, a process for laser machining transparent materials with curved surfaces can be implemented. The underlying optics concept allows, for example, the processing of glass tubes with radii of less than 15 mm, e.g. with radii of a few millimeters, such as 5 mm in elongated focal zones of a few 10 pm up to a few millimeters.
Die den hierin zugrundeliegenden Konzepte betreffen eine fokusbildende Strahlformung, die ein Einlaufen von Strahl anteil en unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück durch Interferenz bewirkt. Mit anderen Worten betrifft die fokusbildende Strahlformung eine Strahlformung, die einen nicht-beugenden Strahl für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück erzeugt. The concepts on which this is based relate to focus-forming beam shaping, which causes beam components to run in at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for forming the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece by interference. In other words, focus-forming beam shaping relates to beam shaping that generates a non-diffracting beam for forming the elongated focal zone along the beam axis in the workpiece.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen: Concepts are disclosed herein that allow at least some aspects of the prior art to be improved. In particular, further features and their usefulness result from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:
Fig. 1 Abbildungen zur Verdeutlichung von nicht-beugenden Strahlen im Vergleich mit einem Gauß-Strahl, Fig. 1 Figures to clarify non-diffracting beams compared to a Gaussian beam,
Fig. 2 eine schematische Skizze einer Laserbearbeitungsanlage für die Materialbearbeitung,
Fig. 3 A und 3B schematische Skizzen eines optischen Systems zur Strahlformung für die2 shows a schematic sketch of a laser processing system for material processing, Fig. 3A and 3B schematic sketches of an optical system for beam shaping for
Laserbearbeitung, laser processing,
Fig. 4A und 4B Skizzen zur Verdeutlichung der Auswirkung einer gekrümmten Oberfläche auf die Ausbildung einer Bessel-Strahl-Fokuszone, 4A and 4B sketches to clarify the effect of a curved surface on the formation of a Bessel beam focus zone,
Fig. 5 A und 5B Intensitätsverteilungen einer Bessel-Strahl-Fokuszone, die für einen Ein- tritt in ein planes Werkstück bzw. für eine Korrektur hinsichtlich einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstücks simuliert wurde,5A and 5B intensity distributions of a Bessel beam focal zone which was simulated for entry into a planar workpiece and for correction with regard to a curved surface of a workpiece, respectively
Fig. 6Aund 6B Intensitätsverteilungen einer Bessel-Strahl-Fokuszone ohne Korrektur hinsichtlich einer gekrümmten Oberfläche, 6A and 6B intensity distributions of a Bessel beam focal zone without correction for a curved surface.
Fig. 7 eine graphische Darstellung einer beispielhaften Abhängigkeit des Krümmungsradius der Zylinderlinse von der Verschiebung des Beginns der Fokuszone von der Werkstückoberfläche, 7 shows a graphical representation of an exemplary dependence of the radius of curvature of the cylindrical lens on the displacement of the start of the focal zone from the workpiece surface,
Fig. 8Abis 8F Phasenverteilungen für fokusbildende Strahlformungen und phasenkorrigierende Strahlformungen und diese kombinierende Phasenverteilungen,8A to 8F phase distributions for focus-forming beam formations and phase-correcting beam formations and phase distributions combining these,
Fig. 9 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Verfahrens zurFig. 9 is a flow chart to illustrate an exemplary method for
Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche,material processing of a workpiece with a curved surface,
Fig. 10 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Trennverfahrens eines modifizierten Werkstücks, 10 shows a flowchart to illustrate an exemplary method of separating a modified workpiece,
Fig. 11 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Trennverfahrens eines mit asymmetrisch ausgebildeten Modifikationen modifizierten Werkstücks und 11 shows a flowchart to clarify an example of a method for separating a workpiece that has been modified with asymmetrical modifications, and
Fig. 12Aund 12B beispielhafte Werkstücke mit ausgeschnittenen Innenkonturen. 12A and 12B exemplary workpieces with inner contours cut out.
Die hierin beschriebenen Aspekte beziehen sich insbesondere auf die Anwendung von nichtbeugenden Strahlen bei der Materialbearbeitung. Nicht-beugende Strahlen ^non-diffractive beams'") können durch Wellenfelder ausgebildet werden, die der Helmholtz-GleichungThe aspects described herein relate in particular to the use of non-diffractive radiation in material processing. Non-diffractive beams can be formed by wave fields that correspond to the Helmholtz equation
V2L7 (r) + k2U V 2 L7 (r) + k 2 U
' ' ( 'r)z = 0 (Gleichung 1) genügen und eine klare Separierbarkeit in eine transversale (d.h., in x- und y-Richtung) Abhängigkeit und eine longitudinale (d.h., in z-Richtung/ Ausbreitungsrichtung) Abhängigkeit der'' ( 'r) z = 0 (equation 1) and a clear separability into a transversal (ie, in the x- and y-direction) dependency and a longitudinal (ie, in the z-direction/propagation direction) dependency of the
Form
aufweisen.
k — c shape exhibit. k — c
Hierbei ist ' der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalen Komponenten k2 = kz 2 + kl uncj U x, y) ejne GeiieGige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x und y abhängt. Da die z- Abhängigkeit in Gleichung 2 eine reine Phasenmodulation aufweist, ist eine Intensität
z)> einer die Gleichung 2 lösenden Funktion propagationsinvariant und wird als „nicht-beugend“ bezeichnet:
Here ' is the wave vector with its longitudinal/axial and transversal components k 2 = k z 2 + kl unc j U x,y) ejne Ge ii eG ig e complex-valued function that depends only on the transversal coordinates x and y. Since the z-dependence in Equation 2 exhibits pure phase modulation, is an intensity z ) > a function solving equation 2 is propagation-invariant and is called “non-diffractive”:
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen der Helmholtz-Gleichung in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie z.B. sogenannte Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder sogenannte Bessel-Strahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten. This approach provides different solution classes of the Helmholtz equation in different coordinate systems, such as so-called Mathieu rays in elliptic-cylindrical coordinates or so-called Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
Siehe hierzu auch J. Turunen and A. T. Friberg, “Propagation-invariant optical fields’", in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) sowie M. Woerdemann, “Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation ”, Springer Science & Business Media (2012). See also J. Turunen and AT Friberg, "Propagation-invariant optical fields'", in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) and M. Woerdemann, "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation , and Organization”, Springer Science & Business Media (2012).
Es lassen sich eine Vielzahl von Typen nicht-beugender Strahlen in guter Näherung realisieren. Diese realisierten nicht-beugenden Strahlen werden hierin der Einfachheit halber weiterhin als „endlich begrenzte nicht-beugende Strahlen“, „nicht-beugende Strahlen“, oder auch als „quasi nicht-beugende Strahlen“, bezeichnet. Sie führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist auch eine ihnen zugeordnete Länge L einer Propagationsinvarianz. A large number of types of non-diffracting beams can be realized to a good approximation. These realized non-diffractive beams will continue to be referred to herein as "finitely limited non-diffractive beams", "non-diffractive beams", or also as "quasi-non-diffractive beams" for the sake of simplicity. In contrast to the theoretical construct, they lead to a finite performance. A length L of a propagation invariance assigned to them is also finite.
Fig. 1 zeigt im Vergleich mit Intensitätsdarstellungen eines konventionellen Gauß-Fokus (siehe das Propagationsverhalten eines Gauß-Fokus in Abbildung (a) der Fig. 1) das Propagationsverhalten von nicht-beugenden Strahlen anhand von Intensitätsdarstellungen in Abbildungen (b) und (c). Die Abbildungen (a), (b) und (c) zeigen jeweils einen Längsschnitt (x-z- Ebene) und einem Transversalschnitt (x-y-Ebene) durch den Fokus eines Gauß-Strahls bzw. von nicht-beugenden Strahlen, die in z-Richtung propagieren. In comparison with intensity representations of a conventional Gaussian focus (see the propagation behavior of a Gaussian focus in figure (a) of Fig. 1), Fig. 1 shows the propagation behavior of non-diffracting rays using intensity representations in figures (b) and (c) . Figures (a), (b) and (c) each show a longitudinal section (xz-plane) and a transverse section (xy-plane) through the focus of a Gaussian beam and non-diffracting rays, respectively, directed in the z-direction propagate.
Die Abbildung (b) bezieht sich beispielhaft auf einen rotationssymmetrischen nicht-beugenden Strahl, hier ein Bessel-Gauß-Strahl. Die Abbildung (c) bezieht sich beispielhaft auf einen nicht asymmetrischen nicht-beugenden Strahl. Für einen Bessel-Gauß-Strahl zeigen die
Abbildungen (d) und (e) der Fig. 1 ferner Details eines zentralen Intensitätsmaximums. So zeigt Abbildung (d) der Fig. 1 einen Intensitätsverlauf in einer transversalen Schnittebene (X- Y-Ebene) und eine transversalen Intensitätsverlauf in X-Richtung. Die Abbildung (e) der Fig. Figure (b) refers to a rotationally symmetrical, non-diffracting beam, in this case a Bessel-Gaussian beam. Figure (c) refers to a non-asymmetric non-diffracting beam as an example. For a Bessel-Gaussian beam, the Figures (d) and (e) of Figure 1 also show details of a central intensity maximum. Thus, image (d) of FIG. 1 shows an intensity curve in a transverse sectional plane (X-Y plane) and a transverse intensity curve in the X direction. The image (e) of Fig.
1 zeigt Details des zentralen Intensitätsmaximums in einem Schnitt in Propagationsrichtung. d rui uen vergieicn wuu em roKusuurcnmessei 0 Jes Gauß-Fokus definiert, wobei der Gauß-Fokus über die zweiten Momente festgelegt wird. Ferner wird eine zugehörige charakte- • • < , <• „ , • , T
, ™ nstische Lange uber die Rayleigh-Lange definiert, die als eine Distanz ausgehend von der Fokusposition festgelegt wird, bei der der Strahl querschnitt um einen Faktor 2 zugenommen hat. Ferner wird für einen quasi nicht-beugenden Strahl ein transversaler JND 1 shows details of the central intensity maximum in a section in the direction of propagation. d rui uen vergieicn wuu em roKusuurcnmessei 0 The Gaussian focus is defined, with the Gaussian focus being defined via the second moments. Furthermore, an associated character- • • < , <• „ , • , T , ™ nistic length defined in terms of the Rayleigh length, which is defined as a distance from the focal position at which the beam cross-section has increased by a factor of 2. Furthermore, for a quasi-non-diffracting beam, a transverse JND
Fokusdurchmesser “0 als die transversale Dimension eines lokalen Intensitätsmaximums JND definiert, wobei der transversaler Fokusdurchmesser u,) durch die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima (z.B. Intensitätsabfall auf 25 %) gegeben ist. Siehe hierzu z.B. die Abbildungen (b) und (d) der Fig. 1. Die longitudinale Ausdehnung des nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaximums kann als eine charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls angesehen werden. Sie ist definiert über einen Intensitätsabfall auf 50 %, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum, jeweils in positive und negative z-Richtung, siehe Abbildungen (c) und (e) der Fig. 1. Focus diameter “0 a l s defines the transverse dimension of a local intensity maximum JND, with the transverse focus diameter u,) being given by the shortest distance of directly adjacent, opposite intensity minima (eg intensity drop to 25%). See, for example, Figures (b) and (d) in FIG. 1. The longitudinal extension of the almost propagation-invariant intensity maximum can be viewed as a characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. It is defined by an intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum, in the positive and negative z-direction, see images (c) and (e) of Fig. 1.
Hierin wird von einem quasi nicht-beugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transver- sale Dimensionen, z.B.
, die charakteristische Länge L des nicht-beugendenA quasi-non-diffracting ray is assumed here if, for similar transverse dimensions, e.g , the characteristic length L of the non-diffracting
Strahls die Rayleigh-Länge des zugehörigen Gauß-Fokus deutlich überragt, insbesondere wenn L > IOZR beam clearly exceeds the Rayleigh length of the associated Gaussian focus, especially when L > IOZR
(Quasi-) Bessel-Strahlen, auch als Bessel-ähnliche Strahlen bekannt, sind Beispiele einer Klasse von (quasi) nicht-beugenden Strahlen. Bei derartigen Strahlen gehorcht die transversale Feldverteilung ( ’ in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel- Funktion erster Art der Ordnung n. Eine Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die sogenannten Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugbarkeit weit verbreitet sind. Ein Bessel-Gauß-Strahl kann z.B. durch Beleuchten eines Axicons in refraktiver, dif- fraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gauß-Strahl geformt werden.(Quasi) Bessel rays, also known as Bessel-like rays, are examples of a class of (quasi) non-diffracting rays. In such beams, the transverse field distribution ( ' near the optical axis obeys in good approximation a Bessel function of the first kind of order n. A subset of this class of beams are the so-called Bessel-Gauss beams, which due to their simple A Bessel-Gaussian beam can be formed, for example, by illuminating an axicon of refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam.
Eine zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse im Bereich einer
zugehörigen langgezogenen Fokuszone gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel -Funktion erster Art der Ordnung 0 (in guter Näherung), die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist, siehe Abbildungen (d) und (e) der Fig. 1, wobei die gezeigten Intensitätsverteilung dem Betragsquadrat einer Bessel -Funktion (in guter Näherung) entsprechen. An associated transverse field distribution near the optical axis in the region of a The associated elongated focus zone obeys, in good approximation, a Bessel function of the first kind of order 0 (in a good approximation), which is enveloped by a Gaussian distribution, see Figures (d) and (e) of Fig. 1, the intensity distribution shown correspond to the square of the absolute value of a Bessel function (in a good approximation).
Typische Bessel-Gauß-Strahlen, die zur Bearbeitung transparenter Materialien genutzt werden können, weisen Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von u0 . Ü .111 au p)ie zugehörige Länge L kann ohne weiteres 1 mm übersteigen, siehe Abbildung (b) der Fig. 1. Ein Fokus eines Gauß-Strahls mit
— 2.5 | m zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich '-R ~
bei einer Wellenlänge A von 1 pm aus, siehe Abbildung (a) der Fig. 1. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen gilt demnach sogar für die zugehörige Länge
10-^R, beispielsweise das 100- fache oder mehr oder sogar das 500-fache oder mehr der Rayleigh-Länge. Typical Bessel-Gauss beams, which can be used to process transparent materials, have a diameter of the central intensity maximum on the optical axis of u 0 . Ü .111 au p)i e associated length L can easily exceed 1 mm, see figure (b) of FIG. 1. A focus of a Gaussian beam with — 2.5 | m, on the other hand, is characterized by a focal length in air of only '-R ~ at a wavelength λ of 1 pm, see figure (a) of FIG 10-^R, for example 100 times or more or even 500 times or more the Rayleigh length.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass, soll ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche mit einem nicht-beugenden Strahl, wie er sich beispielsweise in einer auf Interferenz-basierenden Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls ausbildet, bearbeitet werden, die gekrümmte Oberfläche sich auf die Ausbildung des nicht-beugenden Strahls (der zugrundeliegenden Interferenz) auswirken kann. Entsprechend ist eine Strahlformung, wie sie zur Bearbeitung von planen Werkstücken genutzt wird, nicht mehr zielführend. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Krümmung nicht rotationssymmetrisch ist, sondern eindimensional ausgebildet ist, wie im Fall eines zu bearbeitenden Rohrs oder Zylinders aus z.B. Glas oder einer transparenten Keramik. Aspects described herein are based in part on the recognition that if a workpiece having a curved surface is to be machined with a non-diffracting beam, such as that formed in an interference-based focal zone of a Bessel-Gaussian beam, the curved surface can affect the formation of the non-diffracting beam (the underlying interference). Accordingly, beam shaping, as used to process flat workpieces, is no longer effective. This is particularly the case when the curvature is not rotationally symmetrical but is one-dimensional, as in the case of a tube or cylinder to be machined made of glass or a transparent ceramic, for example.
Es wurde ferner erkannt, dass diese Beeinflussung des nicht-beugenden Strahls in einem Bearbeitungsschritt kompensiert werden kann, sodass dann auch für plane Werkstücke entwickelte Strahlformungskonzepte oder Strahlformungskomponenten zur Ausbildung des nicht-beugenden Strahls mit beispielsweise spezifischen Phasenaufprägungen genutzt werden können. It was also recognized that this influence on the non-diffracting beam can be compensated for in one processing step, so that beam shaping concepts or beam shaping components developed for flat workpieces can then also be used to form the non-diffracting beam with, for example, specific phase imprints.
Mit anderen Worten haben die Erfinder erkannt, dass eine gekrümmte Oberfläche zu Aberrationen bei der Ausbreitung der Laserstrahlung führt und sich räumliche Eigenschaften eines nicht-beugenden Strahls, z.B. eines Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofils, nicht mehr ausbilden. Beispielsweise können derartige nicht-beugenden Strahlen nicht mehr auf der vollen angestrebten Länge für die Ausbildung von Materialmodifikationen genutzt werden.
Um die Ausbildung und Eigenschaften des nicht-beugenden Strahls, beispielsweise mit einem Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofil, beizubehalten, wird hierin vorgeschlagen, den beim Eintritt in das Werkstück auftretenden Aberrationen mit einer Phasenkorrektur entgegenzuwirken. Dabei wird die Phasenkorrektur im Strahlengang bevorzugt in dem Bereich vorgenommen, in dem noch ein Gauß-förmiges oder nahezu Gauß-förmiges Laserstrahlprofil vorliegt. Die Phasenkorrektur kann insbesondere im Bereich einer Phasenaufprägung, wie sie zur Ausbildung des nicht-beugenden Strahls, z.B. eines Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofils, in Werkstücken genutzt wird, erfolgen. Bei einer quadratisch gekrümmten und zum gepulsten Laserstrahl symmetrisch ausgerichteten Oberfläche kann die Phasenkorrektur mit einfachen optischen Komponenten bewirkt werden. Bereits bei gekippten Oberflächen werden die Geometrien der zur Korrektur benötigten optischen Komponenten sehr komplex. In other words, the inventors have recognized that a curved surface leads to aberrations in the propagation of the laser radiation and spatial properties of a non-diffracting beam, for example a beam profile similar to a Bessel beam, no longer develop. For example, such non-diffracting beams can no longer be used over the full desired length for the formation of material modifications. In order to retain the formation and properties of the non-diffracting beam, for example with a beam profile similar to a Bessel beam, it is proposed here to counteract the aberrations occurring when entering the workpiece with a phase correction. The phase correction in the beam path is preferably carried out in the area in which there is still a Gaussian or almost Gaussian laser beam profile. The phase correction can take place in particular in the area of a phase imprint, such as is used to form the non-diffracting beam, for example a beam profile similar to a Bessel beam, in workpieces. With a square curved surface aligned symmetrically to the pulsed laser beam, the phase correction can be effected with simple optical components. Even with tilted surfaces, the geometries of the optical components required for correction become very complex.
So wurde erkannt, dass trotz beim Eintritt in ein Werkstück auftretenden Aberrationen ein nicht-beugender Strahl mit einer nahezu ungestörten Propagation im Material eines Rohrs o- der Zylinders erzeugt werden kann. Bei Vornahme der Phasenkorrektur können mit einem gepulsten Laserstrahl bei entsprechend eingestellten Parametern wie Pulsenergie, Pulsdauer und Fokuszonengeometrie langgezogene Modifikationen auch in ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche eingeschrieben werden. Derartig erzeugte strukturelle Modifikationen können wie bei planen Werkstücken einen Trennvorgang ermöglichen oder für einen Materialabtrag genutzt werden. It was thus recognized that, despite aberrations occurring when entering a workpiece, a non-diffracting beam can be generated with an almost undisturbed propagation in the material of a pipe or cylinder. When carrying out the phase correction, elongated modifications can also be inscribed in a workpiece with a curved surface using a pulsed laser beam with appropriately set parameters such as pulse energy, pulse duration and focal zone geometry. Structural modifications created in this way can, as with flat workpieces, enable a cutting process or be used to remove material.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 mit einer Laserstrahlquelle lAund einem optischen System 1B zur Strahlformung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls 3’ der Strahlquelle 1A. Die Strahlformung dient dazu, einen gepulsten Laserstrahl 3 mit einem Strahlprofil auszubilden, das in eine Fokuszone 7 zur Materialbearbeitung als nicht-beugender Strahl fokussierbar ist. In anderen Worten wird die Fokuszone 7 durch den nicht-beugenden Strahl gebildet und die Fokuszone 7 ist entlang einer Strahlachse 5 des Laserstrahls 3 langgezogen ausgebildet. Fig. 2 shows a schematic representation of a laser processing system 1 with a laser beam source 1A and an optical system 1B for beam shaping of a pulsed output laser beam 3' of the beam source 1A. The purpose of beam shaping is to form a pulsed laser beam 3 with a beam profile that can be focused as a non-diffracting beam in a focus zone 7 for material processing. In other words, the focal zone 7 is formed by the non-diffracting beam and the focal zone 7 is elongated along a beam axis 5 of the laser beam 3 .
Die Fokuszone 7 wird in einem zu bearbeitenden Werkstück erzeugt. Das Werkstück kann beispielsweise aus einem (für die Laserwellenlänge des eingesetzten gepulsten Laserstrahls 3 weitgehend) transparenten Material in z.B. keramischer oder kristalliner Ausführung wie Glas, Saphir, transparente Keramik, Glaskeramik bestehen. Transparenz eines Materials bezieht sich
hierin auf die lineare Absorption. Für Licht unterhalb der Schwellenfluenz/-intensität kann ein „im Wesentlichen“ transparentes Material beispielsweise auf einer Länge einer Modifikation z.B. weniger als 20 % oder sogar weniger als 10 % des einfallenden Lichts absorbieren. The focus zone 7 is created in a workpiece to be machined. The workpiece can, for example, consist of a material that is largely transparent (for the laser wavelength of the pulsed laser beam 3 used) in a ceramic or crystalline design such as glass, sapphire, transparent ceramic, glass ceramic. transparency of a material refers herein to the linear absorbance. For example, for light below the threshold fluence/intensity, a “substantially” transparent material may absorb, for example, less than 20% or even less than 10% of the incident light over a length of modification.
In Fig. 2 ist ein (z.B. Glas-) Rohr 9 als Beispiel für ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche 9A dreidimensional angedeutet. Das Rohr 9 weist einen Außenradius Ra und einen Innenradius Ri sowie eine Wandstärke Ra-Ri auf. In Fig. 2 ist die Strahlachse 5 entlang einer Normalenrichtung N der Oberfläche 9A auf die Oberfläche 9A gerichtet und trifft auf diese an einem Auftreffpunkt P. In Fig. 2, a (e.g. glass) tube 9 is three-dimensionally indicated as an example of a workpiece with a curved surface 9A. The tube 9 has an outer radius Ra and an inner radius Ri and a wall thickness Ra-Ri. In Fig. 2, the beam axis 5 is directed towards the surface 9A along a normal direction N of the surface 9A and impinges on it at an impingement point P.
Allgemein wird der Ausgangslaserstrahl 3’ und damit der Laserstrahl 3 durch Strahlparameter wie Ausbildung von Einzellaserpulsen oder Gruppen von Laserpulsen, Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Pulsenergie, Strahldurchmesser und Polarisation bestimmt. Für die Materialbearbeitung weisen die Laserpulse z.B. Pulsenergien auf, die zu Pulsspitzen-intensitä- ten führen, die eine Volumenabsorption im Material der Rohrwand und damit eine Ausbildung einer Modifikation in einer gewünschten Geometrie bewirken. In general, the output laser beam 3' and thus the laser beam 3 is determined by beam parameters such as the formation of individual laser pulses or groups of laser pulses, wavelength, spectral width, temporal pulse shape, pulse energy, beam diameter and polarization. For material processing, the laser pulses have e.g. pulse energies that lead to pulse peak intensities that cause volume absorption in the material of the tube wall and thus the formation of a modification in a desired geometry.
Üblicherweise wird der Ausgangslaserstrahl 3’ ein kollimierter Gaußscher Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil sein, der von der Laserstrahlquelle 1A, beispielsweise einem UKP -Hochleistungslasersystem, erzeugt wird. Das optische System 1B formt aus dem Gaußschen Strahl ein Strahlprofil, das die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone 7 ermöglicht; z.B. wird ein Bessel-Gauß-Strahl mit einem gewöhnlichen oder inversen Bessel- Strahl-artigen Strahlprofil mit Hilfe eines Strahlformungselement 11 des optischen Systems 1B erzeugt. Das Strahlformungselement 11 ist zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf den einfallenden Ausgangslaserstrahl 3’ ausgebildet. Das Strahlformungselement 11 ist z.B. ein Hohlkegel-Axicon, ein Hohlkegel-Axicon-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System oder ein diffraktives optisches Strahlformungselement. Das dif- fraktive optische Strahlformungselement kann ein programmierbares oder fest-eingeschriebenes diffraktives optisches Strahlformungselement, insbesondere ein räumlicher Lichtmodulator (SLM spatial light modulator) sein. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Systems und insbesondere des Strahlformungselements 11 wird auf die eingangs genannte WO 2016/079275 Al verwiesen.
Fig. 2 zeigt schematisch weitere strahlführende Komponenten 13 als Teil des optischen Systems 1B wie zum Beispiel eine Teleskopanordnung 13A, Spiegel, Linsen, Filter sowie Steuerungsmodule zur Ausrichtung der verschiedenen Komponenten. Usually, the output laser beam 3' will be a collimated Gaussian beam with a transverse Gaussian intensity profile generated by the laser beam source 1A, for example a high-power USP laser system. The optical system 1B forms a beam profile from the Gaussian beam, which enables the formation of the elongated focal zone 7; For example, a Bessel-Gaussian beam with an ordinary or inverse Bessel-beam-like beam profile is generated with the aid of a beam-shaping element 11 of the optical system 1B. The beam-shaping element 11 is designed to impress a transverse phase curve on the incident output laser beam 3'. The beam shaping element 11 is, for example, a hollow cone axicon, a hollow cone axicon lens/mirror system, a reflective axicon lens/mirror system or a diffractive optical beam shaping element. The diffractive optical beam-shaping element can be a programmable or permanently written diffractive optical beam-shaping element, in particular a spatial light modulator (SLM spatial light modulator). For exemplary configurations of the optical system and in particular of the beam-shaping element 11, reference is made to WO 2016/079275 A1 mentioned at the outset. 2 schematically shows other beam-guiding components 13 as part of the optical system 1B, such as a telescope arrangement 13A, mirrors, lenses, filters and control modules for aligning the various components.
Das optische System 1B fokussiert den gepulsten Laserstrahl 3 in das Werkstück, hier in die Wand des Rohrs 9, sodass sich dort die langgezogene Fokuszone 7 ausbildet. Die langgezogene Fokuszone 7 bezieht sich hierin auf eine dreidimensionale Intensitätsverteilung, die in dem zu bearbeitenden Werkstück das räumliche Ausmaß der Wechselwirkung und damit der Modifikation des Materials mit dem Laserpuls/der Laserpulsgruppe bestimmt. Die langgezogene Fokuszone 7 bestimmt einen langgezogenen Volumenbereich im zu bearbeitenden Werkstück, in dem eine Fluenz/Intensität vorliegt. Liegt die Fluenz/Intensität über der für die Bear- beitung/Modifikation relevanten Schwellenfluenz/-intensität, wird entlang der langgezogenen Fokuszone 7 eine langgezogene Modifikation 15 in das Werkstück eingeschrieben. The optical system 1B focuses the pulsed laser beam 3 into the workpiece, here into the wall of the tube 9, so that the elongated focus zone 7 is formed there. The elongated focus zone 7 refers here to a three-dimensional intensity distribution that determines the spatial extent of the interaction and thus the modification of the material with the laser pulse/laser pulse group in the workpiece to be processed. The elongated focus zone 7 defines an elongated volume area in the workpiece to be machined, in which there is a fluence/intensity. If the fluence/intensity is above the threshold fluence/intensity relevant for the processing/modification, an elongated modification 15 is inscribed into the workpiece along the elongated focus zone 7 .
Mit Blick auf eine Laserbearbeitung spricht man von langgezogenen Fokuszonen, wenn eine dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zur Fokuszonenachse (Durchmesser des on-axis-Maximums)) von mindestens 10: 1, beispielsweise 20: 1 und mehr oder 30: 1 und mehr, oder 1000: 1 und mehr, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone kann zur Modifikation 15 im Material mit ähnlichem Aspektverhältnis führen. Allgemein kann bei derartigen Aspektverhältnissen eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung, die die Modifikation 15 bewirkt, über die Fokuszone 7 im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, liegen. Das gleiche gilt entsprechend für eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Modifikation 15. With regard to laser processing, one speaks of elongated focal zones when a three-dimensional intensity distribution with regard to a target threshold intensity is characterized by an aspect ratio (expansion in the direction of propagation in relation to the lateral extent transverse to the axis of the focal zone (diameter of the on-axis maximum)) of at least 10: 1, for example 20:1 and more, or 30:1 and more, or 1000:1 and more. Such an elongated focal zone can lead to modification 15 in material with a similar aspect ratio. In general, with such aspect ratios, a maximum change in the lateral extension of the intensity distribution, which the modification 15 brings about, over the focal zone 7 can be in the range of 50% and less, for example 20% and less, for example in the range of 10% and less. The same applies to a maximum change in the lateral extent of modification 15.
Allgemein gilt für die Bearbeitung transparenter Werkstoffe mittels langgezogener Volumenabsorption, dass, sobald eine Absorption stattfindet, diese Absorption selbst oder aber die resultierende Änderung der Materialeigenschaft die Propagation von Laserstrahlung beeinflussen kann. Deshalb ist es vorteilhaft, die zur Modifikation weiter strahlabwärts dienenden Strahlanteile unter einem Winkel zur Fokuszonenachse der Wechselwirkungszone zuzuführen. Ein Beispiel für eine derartige Energiezufuhr ist der nicht-beugende Strahl, beispielsweise ein (konventioneller) Bessel-Gauß-Strahl (siehe Fig. 1), bei dem eine ringförmige Femfeldvertei- lung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist. Bei einem
rotationssymmetrischen Bessel-Gauß-Strahl werden der Wechselwirkungszone/Fokuszonen- achse radiale Strahlanteile im Wesentlichen mit diesem Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Ähnliches gilt für den inversen Bessel-Gauß-Strahl sowie für Modifikationen wie homogenisierte, asymmetrische oder modulierte (inverse) Bessel-Strahlen. In general, when processing transparent materials by means of elongated volume absorption, it applies that as soon as absorption takes place, this absorption itself or the resulting change in material properties can influence the propagation of laser radiation. It is therefore advantageous to feed the beam components used for modification further down the beam at an angle to the focal zone axis of the interaction zone. An example of such an energy supply is the non-diffracting beam, for example a (conventional) Bessel-Gaussian beam (see FIG. 1), in which there is an annular far-field distribution whose ring width is typically small compared to the radius. At a In the rotationally symmetrical Bessel-Gaussian beam, the interaction zone/focus zone axis is supplied with radial beam components essentially with this angle in a rotationally symmetrical manner. The same applies to the inverse Bessel-Gauss beam and to modifications such as homogenized, asymmetric or modulated (inverse) Bessel beams.
Eine beispielhafte Strahlformung, die zu so einer langgezogenen Fokuszone führt, ist in den Figuren 3 A bis 6B verdeutlicht. Die Figuren zeigen beispielhaft in einer Schnittebene durch den Strahlengang ein Einlaufen von (radialen) Strahlanteilen 3 A (siehe insbesondere Fig. 4B) unter einem Einlaufwinkel 6 in Luft bzw. 6‘ im Material auf die Strahlachse 5 des Laserstrahls 3. So kann die langgezogene Fokuszone 7 entlang der Strahlachse 5 im Werkstück durch Interferenz der Strahlanteile 3 A (über eine Länge /., siehe Fig. 1) ausgebildet werden. An example of beam shaping that leads to such an elongated focal zone is illustrated in FIGS. 3A to 6B. The figures show, by way of example, in a sectional plane through the beam path, the arrival of (radial) beam components 3A (see in particular Fig. 4B) at an angle of arrival 6 in air or 6 'in the material on the beam axis 5 of the laser beam 3 Focus zone 7 along the beam axis 5 in the workpiece by interference of the beam components 3 A (over a length /., see Fig. 1) are formed.
Die Ausbildung einer langgezogenen (z.B. Bessel-Strahl-basierten) Fokuszone setzt voraus, dass über die gesamte Länge L der Fokuszone Energie lateral zugeführt werden kann und die Bedingungen zur konstruktiven Interferenz vorliegen. The formation of an elongated (e.g. Bessel beam-based) focal zone presupposes that energy can be supplied laterally over the entire length L of the focal zone and that the conditions for constructive interference are present.
Für die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem optischen System 1B und dem Werkstück, sodass die Fokuszone 7 bei einem gepulsten Laserstrahl in das Werkstück an verschiedenen Positionen zur Ausbildung einer Anordnung von Modifikationen 15 eingestrahlt werden kann. Die Relativbewegung wird derart angesteuert, dass sich die Modifikationen entlang einer Abtasttrajektorie T aufreihen. Der in Fig. 2 die Abtasttrajektorie T verdeutlichende Pfeil steht stellvertretend für eine Bewegung des Auftreffpunkts P über die Oberfläche des Werkstücks (beispielhaft in Fig. 1 in der Zeichenebene, d.h., der Schnittebene des Rohrs 9). Insbesondere wird eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone 7 bewirkt, bei der die Fokuszone 7 wiederholt entlang der Abtasttrajektorie T (zumindest teilweise) im Material des Werkstücks positioniert wird. Entsprechend kann eine Mehrzahl von Modifikationen in das Material des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie T eingeschrieben werden. For the machining of the workpiece, a relative movement takes place between the optical system 1B and the workpiece, so that the focus zone 7 can be radiated into the workpiece at different positions with a pulsed laser beam in order to form an arrangement of modifications 15 . The relative movement is controlled in such a way that the modifications line up along a scanning trajectory T. The arrow illustrating the scanning trajectory T in FIG. 2 represents a movement of the impact point P over the surface of the workpiece (example in FIG. 1 in the plane of the drawing, i.e. the section plane of the tube 9). In particular, a relative movement is effected between the workpiece and the focal zone 7, in which the focal zone 7 is repeatedly positioned along the scanning trajectory T (at least partially) in the material of the workpiece. Accordingly, a plurality of modifications can be written into the material of the workpiece along the scanning trajectory T .
Für eine umlaufende Bearbeitung des Rohrs 9 (umlaufende Abtasttrajektorie T) ist in Fig. 2 eine Werkstückhalterung 19 gezeigt, mit der das Rohr 9 um eine Längsachsachse A des Rohrs 9 rotierbar gelagert wird. Beispielhaft sind Auflagerollen 19A angedeutet. Ferner kann eine Basiseinheit 19B der Werkstückhalterung 19 ein Verschieben des Rohrs 9 entlang der Längsachse A erlauben oder den Abstand zum optischen System 1B einstellen.
Alternativ oder ergänzend kann eine Relativbewegung zwischen Werkstück und optischem System 1B durch ein Bewegen des optischen Systems 1B (oder von Komponenten desselben) bewirkt werden. In Fig. 2 ist beispielhaft eine Linearverschiebungseinheit 21 des optischen Systems 1B gezeigt, mit der die Fokuszone entlang der Strahlachse positioniert werden kann. Weitere Bearbeitungsachsen können vorgesehen werden, die es erlauben, den austretenden Laserstrahl 3 und damit die Fokuszonenachse im Raum auszurichten. For a circumferential machining of the tube 9 (circular scanning trajectory T), a workpiece holder 19 is shown in FIG. Support rollers 19A are indicated as an example. Furthermore, a base unit 19B of the workpiece holder 19 can allow the tube 9 to be displaced along the longitudinal axis A or can adjust the distance from the optical system 1B. Alternatively or additionally, a relative movement between the workpiece and the optical system 1B can be brought about by moving the optical system 1B (or components thereof). FIG. 2 shows an example of a linear displacement unit 21 of the optical system 1B, with which the focal zone can be positioned along the beam axis. Further processing axes can be provided, which allow the exiting laser beam 3 and thus the axis of the focal zone to be spatially aligned.
Je nach Abtasttrajektorie T kann ein Abtrennen eines Rohrstücks oder ein Ausschneiden von Strukturen aus dem Rohrstück bewirkt werden. Wie in Zusammenhang mit den Figuren 10 und 11 hierzu erläutert wird, kann dies z.B. unter Verwendung einer Wärmequelle 203 und einer Kühlquelle 205 erfolgen. Depending on the scanning trajectory T, a piece of pipe can be cut off or structures can be cut out of the piece of pipe. As explained in connection with Figures 10 and 11, this can be done using a heat source 203 and a cooling source 205, for example.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ferner eine Steuerungseinheit 23 auf, die insbesondere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametem durch einen Benutzer aufweist. Allgemein umfasst die Steuerungseinheit 23 elektronische Steuerungsbauteile wie einen Prozessor zum Ansteuern von elektrischen, mechanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 1. Beispielsweise können Betriebsparameter der Laserstrahlquelle lAwie z.B. Pumplaserleistung, Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines optischen Elements des optischen Systems 1B und Parameter der Werkstückhalterung 19 (zum Abfahren der Abtasttrajektorie T) eingestellt werden (verdeutlicht durch Doppelpfeile 23 A). The laser processing system 1 also has a control unit 23 which, in particular, has an interface for a user to input operating parameters. In general, the control unit 23 includes electronic control components such as a processor for controlling electrical, mechanical and optical components of the laser processing system 1. For example, operating parameters of the laser beam source IA such as pump laser power, parameters for setting an optical element (e.g. an SLM) and parameters for spatial alignment an optical element of the optical system 1B and parameters of the workpiece holder 19 (for traversing the scanning trajectory T) are set (illustrated by double arrows 23A).
In Fig. 2 ist ferner schematisch ein Abstandssensor 25 angedeutet, der beispielsweise am optischen System 1B angeordnet ist. Der Abstandssensor 25 ist dazu eingerichtet, den Abstand des Werkstücks zum optischen System zu detektieren. Insbesondere kann der Abstandssensor 25 eine Position einer Oberfläche 9A des Werkstücks 9 entlang der Strahlachse 5 in Bezug zu einer Soll-Position hinsichtlich der langgezogenen Fokuszone bestimmen. Die Soll-Position ist für die spezifische Materialbearbeitungssituation des jeweiligen Werkstücks und für die jeweilige Strahlformung festgelegt. Beispielsweise kann die Soll-Position durch ein gewünschte Verschiebung Az (in oder entgegen der Propagationsrichtung des Laserstrahls) zwischen einem Beginn der langgezogenen Fokuszone und der Oberfläche des Werkstücks/Rohrs 9 angegeben werden. Der Beginn der langgezogenen Fokuszone kann beispielsweise an dem Ort in Z-Richtung liegen, an dem die Intensität auf 50 % der maximalen Intensität angestiegen ist.
Neben einem Zusammentreffen des Beginns der langgezogenen Fokuszone mit der Oberfläche des Werkstücks kann als Soll-Position eine Verschiebung Az > 0 eingestellt werden, bei der sich bereits vor dem Rohr 9 die langgezogene Fokuszone ausbildet und dann in das Material des Rohrs 9 hineinerstreckt. Ebenso kann eine Verschiebung Az < 0 eingestellt werden, bei der sich nur im Material des Rohrs oder zumindest beginnend im Material des Rohrs 9 die langgezogene Fokuszone ausbildet. A distance sensor 25 is also indicated schematically in FIG. 2, which is arranged, for example, on the optical system 1B. The distance sensor 25 is set up to detect the distance between the workpiece and the optical system. In particular, the distance sensor 25 can determine a position of a surface 9A of the workpiece 9 along the beam axis 5 in relation to a target position with regard to the elongated focal zone. The target position is defined for the specific material processing situation of the respective workpiece and for the respective beam formation. For example, the target position can be specified by a desired displacement Az (in or against the propagation direction of the laser beam) between the start of the elongated focus zone and the surface of the workpiece/tube 9 . For example, the beginning of the elongated focal zone can be at the location in the Z-direction at which the intensity has increased to 50% of the maximum intensity. In addition to the coincidence of the beginning of the elongated focus zone with the surface of the workpiece, a displacement Az>0 can be set as the target position, in which the elongated focus zone is already formed in front of the tube 9 and then extends into the material of the tube 9. Likewise, a displacement Az<0 can be set, in which case the elongated focal zone is formed only in the material of the tube or at least beginning in the material of the tube 9 .
Der Abstandssensor 25 gibt Ab Standsdaten an die Steuerungseinheit 23 aus, die den Abstand beispielsweise über die Werkstückhalterung 19 oder die Linearverschiebungseinheit 21 in Bezug zu einer vorgegebenen Soll-Position regeln kann. Abstandssensoren können z.B. als konfokale Weißlichtsensoren, Weißlichtinterferometer (wie optische Kohärenz-Tomographen) o- der kapazitive Sensoren ausgebildet werden. The distance sensor 25 outputs status data to the control unit 23, which can regulate the distance, for example, via the workpiece holder 19 or the linear displacement unit 21 in relation to a predetermined target position. Distance sensors can be designed, for example, as confocal white-light sensors, white-light interferometers (such as optical coherence tomographs) or capacitive sensors.
Insbesondere kann der Abstandssensor 25 dazu verwendet werden, die Lage eines Werkstücks bezüglich einer Bearbeitungsoptik und/oder die Geometrie des Werkstücks in einem Vorvermessungsschritt oder während der Bearbeitung zu vermessen. Beispielsweise kann es vorkommen, dass das rotierende (zu positionierende) Werkstück in der Werkstückhalterung 19 bei einer Rotation gering, insbesondere stark, taumelnd gelagert ist. In einem solchen Fall kann der Abstand der Oberfläche zur vorgegebenen Soll-Position vor der eigentlichen Bearbeitung gemessen und die Lagedaten der Oberfläche gespeichert werden. Hierzu kann die Steuerungseinheit 23 veranlassen, dass das Werkstück einmal entlang der zu bearbeitenden Trajektorie abgefahren wird, ohne dass der Laserstrahl 3 eingestrahlt wird. Während dieser Vorvermessung detektiert der Abstandssensor 25 die Abstandsdaten und gibt diese an die Steuerungseinheit 23 aus, in der die Abstandsdaten abgelegt werden. In particular, the distance sensor 25 can be used to measure the position of a workpiece with respect to processing optics and/or the geometry of the workpiece in a pre-measurement step or during processing. For example, it can happen that the rotating work piece (to be positioned) is mounted in the work piece holder 19 with a slight wobbling, in particular a strong wobbling during a rotation. In such a case, the distance between the surface and the specified target position can be measured before the actual processing and the position data of the surface can be saved. For this purpose, the control unit 23 can cause the workpiece to be traversed once along the trajectory to be machined without the laser beam 3 being irradiated. During this pre-measurement, the distance sensor 25 detects the distance data and outputs it to the control unit 23 in which the distance data is stored.
Ferner kann der Abstandssensor 25 dazu ausgebildet sein, eine Krümmung der Oberfläche des Werkstücks in einem Vorvermessungsschritt oder während der Bearbeitung zu vermessen. Die Krümmung kann beispielsweise aus den Abstandsdaten errechnet werden. Beispielsweise kann die Krümmung der Oberfläche des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie variieren, sodass in einer Vorvermessung die Abtasttrajektorie abgefahren wird, um Daten über die Krümmung der Oberfläche entlang der Abtasttrajektorie abzuspeichern und für eine spätere Einstellung der phasenkorrigierenden Strahlformung zu nutzen. Eine entsprechende Vorvermessung kann wiederum von der Steuerungseinheit 23 angesteuert werden und die erfassten Krümmungsdaten können in der Steuerungseinheit 23 abgelegt werden.
Ferner kann die Steuerungseinheit 23 Parameter des Laserstrahls 3 einstellen. Furthermore, the distance sensor 25 can be designed to measure a curvature of the surface of the workpiece in a pre-measurement step or during processing. The curvature can be calculated from the distance data, for example. For example, the curvature of the surface of the workpiece can vary along the scanning trajectory, so that the scanning trajectory is traversed in a pre-measurement in order to save data about the curvature of the surface along the scanning trajectory and use it for later adjustment of the phase-correcting beam shaping. A corresponding preliminary measurement can in turn be controlled by the control unit 23 and the recorded curvature data can be stored in the control unit 23 . Furthermore, the control unit 23 can set parameters of the laser beam 3 .
Beispielhafte Parameter des Laserstrahls 3, die im Rahmen dieser Offenbarung, insbesondere bei den verschiedenen hierin offenbarten Aspekten, Ausführungsformen und Weiterbildungen, die bevorzugt gepulste Laserstrahlung, und insbesondere ultrakurze Laserpulse, für die Materialbearbeitung verwenden, eingesetzt werden können, sind: Exemplary parameters of the laser beam 3, which can be used within the scope of this disclosure, in particular in the various aspects, embodiments and developments disclosed herein, which preferably use pulsed laser radiation, and in particular ultra-short laser pulses, for material processing, are:
Laserpulsenergien/Energie einer Laserpulsgruppe (Burst): z.B. im mJ-Bereich und mehr, beispielsweise im Bereich zwischen 20 pj und 5 mJ (z.B. 1200 pj), typischerweise zwischen 100 pj und 1 mJ Laser pulse energies/energy of a laser pulse group (burst): e.g. in the mJ range and more, for example in the range between 20 pj and 5 mJ (e.g. 1200 pj), typically between 100 pj and 1 mJ
Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 pm > Z. > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm) Wavelength ranges: IR, VIS, UV (e.g. 2 pm > Z. > 200 nm; e.g. 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
Pulsdauer (FWHM): einige Pikosekunden (beispielsweise 3 ps) und kürzer, beispielsweise einige hundert oder einige (zehn) Femtosekunden, insbesondere ultrakurze Laserpulse/Laser- pulsgruppen Pulse duration (FWHM): a few picoseconds (for example 3 ps) and shorter, for example a few hundred or a few (tens) of femtoseconds, in particular ultra-short laser pulses/laser pulse groups
Anzahl der Laserpulse in einem Burst: z.B. 2 bis 4 Pulse (oder mehr) pro Burst mit einem zeitlichen Abstand im Burst von einigen Nanosekunden (z.B. 40 ns) Number of laser pulses in a burst: e.g. 2 to 4 pulses (or more) per burst with a time interval in the burst of a few nanoseconds (e.g. 40 ns)
Anzahl der Laserpulse pro Modifikation: ein Laserpuls oder ein Burst für eine Modifikation Repetitionsrate: üblicherweise größer 0.1 kHz, z.B. 10 kHz Länge der Fokuszone im Material: größer 20 pm, bis zu einigen Millimetern Number of laser pulses per modification: one laser pulse or one burst for a modification Repetition rate: usually greater than 0.1 kHz, e.g. 10 kHz Length of the focal zone in the material: greater than 20 pm, up to a few millimeters
Durchmesser der Fokuszone im Material: größer 1 pm, bis zu 20 pm und mehr Diameter of the focal zone in the material: greater than 1 pm, up to 20 pm and more
(sich ergebende laterale Ausdehnung der Modifikation im Material: größer 100 nm, z.B. 300 nm oder 1 pm, bis zu 20 pm und mehr) (Resulting lateral expansion of the modification in the material: greater than 100 nm, e.g. 300 nm or 1 pm, up to 20 pm and more)
Vorschub d zwischen zwei benachbarten Modifikationen: mindestens die laterale Ausdehnung der Modifikation in Vorschubrichtung (üblicherweise mindestens das Doppelte der Ausdehnung, beispielsweise das Vierfache oder Zehnfache (oder mehr) der Ausdehnung) Feed d between two adjacent modifications: at least the lateral extent of the modification in the feed direction (usually at least twice the extent, for example four or ten times (or more) the extent)
Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Einzellaserpuls. Entsprechend bezieht sich eine Einwirkdauer auf eine Gruppe/Burst von Laserpulsen, die zur Bildung einer einzigen Modifikation an einem Ort im Material des Werkstücks führen. Ist die Einwirkdauer wie die Pulsdauer kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, trägt ein Laserpuls und tragen alle Laserpulse einer Gruppe von Laserpulsen zu einer einzigen Modifikation an einem Ort bei. Bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeit können auch durchgehende
Modifikationszonen, die aneinander angrenzende und ineinander übergehende Modifikationen umfassen, entstehen. The pulse duration refers to a single laser pulse. Similarly, an exposure time refers to a group/burst of laser pulses that result in the formation of a single modification at a location in the material of the workpiece. If the exposure time, like the pulse duration, is short with respect to a given feed rate, one laser pulse and all laser pulses of a group of laser pulses contribute to a single modification at one location. At lower feed rates, continuous Modification zones, which include modifications that adjoin one another and merge into one another, arise.
Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Bearbeitung von Volumen erlauben, die bis zu beispielsweise 20 mm und mehr (typisch 100 pm bis 10 mm) in ein Werkstück hineinragen. Derartige Volumen werden z.B. bei der Bearbeitung von Rohren mit Innenradien von 100 pm und größer und Außenradien von z.B. im Bereich von 10 mm eingesetzt. The aforementioned parameter ranges can allow the processing of volumes that protrude up to, for example, 20 mm and more (typically 100 μm to 10 mm) into a workpiece. Volumes of this type are used, for example, when processing pipes with internal radii of 100 μm and larger and external radii of, for example, in the range of 10 mm.
Die Strahlformung wird in Fig. 2 mit einem flächigen diffraktiven optischen Strahlformungselement 27 umgesetzt. The beam shaping is implemented in FIG. 2 with a flat diffractive optical beam shaping element 27 .
Die hierin offenbarten Konzepte zur Phasenkorrektur hinsichtlich der gekrümmten Oberfläche 9A des Werkstücks wird in Fig. 2 durch eine Zylinderlinse 29 umgesetzt. Eine der Zylinderlinse zugeordnete Zylinderachse erstreckt sich in Fig. 2 entlang der Achse A des Rohrs 9. Ferner ist in Fig. 2 schematisch angedeutet, dass die Zylinderlinse 29 als Phasenverteilung eines (einstellbar deformierbarer) Zylinderspiegel oder eines diffraktiven optischen Strahlformungselement 29‘ ausgebildet werden kann. Dabei kann das diffraktive optische Strahlformungselement 29‘ als ein fest eingeschriebenes diffraktives optisches Strahlformungselement ausgebildet sein. Ferner kann das diffraktive optische Strahlformungselement 29‘ als ein einstellbares diffraktives optisches Strahlformungselement. Ferner können das diffraktive optische Strahlformungselement 27 und das diffraktive optische Strahlformungselement 29‘ in einem diffraktiven optischen Strahlformungselement zusammengefasst werden. Ein einstellbares diffraktives optisches Strahlformungselement oder ein deformierbarer Zylinderspiegel kann von der Steuerungseinheit 23 hinsichtlich der vorzunehmenden phasenkorrigierenden Strahlformung angesteuert und eingestellt werden (siehe Verbindungslinie 23 A in Fig. 2). The phase correction concepts disclosed herein with regard to the curved surface 9A of the workpiece is implemented in FIG. 2 by a cylindrical lens 29 . A cylinder axis assigned to the cylinder lens extends in Fig. 2 along the axis A of the tube 9. It is also indicated schematically in Fig. 2 that the cylinder lens 29 can be designed as a phase distribution of an (adjustably deformable) cylinder mirror or a diffractive optical beam-shaping element 29' . In this case, the diffractive optical beam-shaping element 29' can be embodied as a permanently inscribed diffractive optical beam-shaping element. Furthermore, the diffractive optical beam-shaping element 29' can be used as an adjustable diffractive optical beam-shaping element. Furthermore, the diffractive optical beam-shaping element 27 and the diffractive optical beam-shaping element 29' can be combined in one diffractive optical beam-shaping element. An adjustable diffractive optical beam-shaping element or a deformable cylinder mirror can be controlled and adjusted by the control unit 23 with regard to the phase-correcting beam shaping to be carried out (see connecting line 23A in FIG. 2).
Allgemein ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement dazu ausgebildet, einen Phasenbeitrag auf ein transversales Strahlprofil des Ausgangslaserstrahls 3’ aufzuprägen, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente (siehe beispielhaft für das Strahlformungselement 27 in Fig. 2 angedeutete Flächenelemente 27A) aufweist. Die Flächenelemente 27A können eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement 27A ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist. Mithilfe von speziell gewählten Phasenschiebungswerten kann z.B. ein Axicon oder ein inverses Axicon, aber auch eine Zylinderlinse diffraktiv nachgebildet werden.
Hierin werden diffraktive optische Strahlformungselemente und entsprechende refraktive Optiken sowie reflektive Optikimplementierungen als hinsichtlich der vorzunehmenden Phasenkorrektur im Wesentlichen gleichwertige optische Mittel angesehen. In general, a diffractive optical beam-shaping element is designed to impose a phase contribution on a transverse beam profile of the output laser beam 3′, the diffractive optical beam-shaping element having surface elements that adjoin one another (see surface elements 27A indicated as an example for the beam-shaping element 27 in FIG. 2). The surface elements 27A can build up a surface lattice structure in which a phase shift value is assigned to each surface element 27A. With the help of specially selected phase shift values, an axicon or an inverse axicon, for example, but also a cylindrical lens can be diffractively simulated. Here, diffractive optical beam-shaping elements and corresponding refractive optics as well as reflective optics implementations are regarded as essentially equivalent optical means with regard to the phase correction to be carried out.
Die Figuren 3 A und 3B zeigen orthogonale Schnittansichten des Strahlengangs (nur schematisch, nicht physikalisch) in einem optischen System zur Verdeutlichung der Strahlformung. Fig. 3 A zeigt eine Schnittansicht in einer Z-Y-Ebene und Fig. 3B zeigt eine Schnittansicht in einer Z-X-Ebene. FIGS. 3A and 3B show orthogonal sectional views of the beam path (only schematically, not physically) in an optical system to clarify the beam shaping. Fig. 3A shows a sectional view on a Z-Y plane, and Fig. 3B shows a sectional view on a Z-X plane.
Die Bearbeitungsoptik wird zur (Gauß-) Bessel-Strahl-Erzeugung genutzt und umfasst ein Axicon 31 mit einem Konuswinkel y, sodass radiale Strahlanteile jeweils unter einem Winkel 6 auf die Strahlachse 5 zulaufen und eine erste reale Bessel-Strahl-Fokuszone (Interferenzzone 33 über eine Länge 10) ausbilden. Das Axicon 31 ist in zwei Teleskope eingebettet. Ein strahlaufwärts positioniertes Teleskop (nicht gezeigt) passt den Strahldurchmesser des Ausgangslaserstrahls 3’ auf das Axicon 31, allgemein das Strahlformungselement, an. Explizit wird in den Figuren 3 A und 3B die strahlabwärts positionierte Teleskopanordnung 13 A mit Teleskoplinsen LI und L2 und Fokuslängen fl und f2 gezeigt, mit dem die Axiconspitze 31_S mit Bezug auf die gekrümmte Oberfläche des Werkstücks verkleinert (Verkleinerungsfaktor M=fl/f2) abgebildet wird. Allgemeines Ziel der Abbildung ist es, dass die Interferenzzone 33 verkleinert zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone 7 (des nicht-beugenden Laserstrahls) in das Werkstück abgebildet wird. Der nicht-beugende Laserstrahl trifft an einem Auftreffpunkt P auf die Werkstückoberfläche. Allgemein wird hierin unter dem Auftreffpunkt der Schnittpunkt der optischen Achse des Laserstrahls mit dem Werkstück (beispielsweise das zu bearbeitende Substrat) verstanden. Wird die Axiconspitze 31_S auf die gekrümmte Oberfläche abgebildet, liegt keine Verschiebung Az des Beginns des nicht-beugenden Laserstrahls zur Eintrittsoberfläche vor (d.h., Az = 0). Im Beispiel der Fig. 3 A liegt der Beginn des nicht-beugenden Laserstrahls um einen Betrag Az > 0 vor der Oberfläche des Werkstücks, beispielsweise liegt Az im Bereich von 100 pm bis 200 pm, sodass bereits an der Werkstückoberfläche eine ausreichende Intensität zur Bearbeitung des Materials vorliegt. Mit Verweis auf Fig. 5 A kann der Beginn des nicht-beugenden Laserstrahls auch erst im Werkstück erfolgen (Az < 0). The processing optics are used for (Gaussian) Bessel beam generation and include an axicon 31 with a cone angle y, so that radial beam components each run towards the beam axis 5 at an angle 6 and a first real Bessel beam focus zone (interference zone 33 over form a length 10). The Axicon 31 is embedded in two telescopes. A telescope (not shown) positioned upstream adjusts the beam diameter of the output laser beam 3' onto the axicon 31, generally the beam shaping element. Figures 3A and 3B explicitly show the telescope arrangement 13A positioned downstream with telescope lenses LI and L2 and focal lengths fl and f2, with which the axicon tip 31_S is imaged reduced in relation to the curved surface of the workpiece (reduction factor M=fl/f2). will. The general aim of the imaging is that the interference zone 33 is imaged in the workpiece in a reduced manner to form the elongated focal zone 7 (of the non-diffracting laser beam). The non-diffractive laser beam strikes the workpiece surface at an impact point P. In general, the point of impact is understood here as the point of intersection of the optical axis of the laser beam with the workpiece (for example the substrate to be processed). When the axicon tip 31_S is imaged onto the curved surface, there is no shift Az of the beginning of the non-diffractive laser beam to the entrance surface (i.e., Az = 0). In the example of Fig. 3 A, the beginning of the non-diffracting laser beam is an amount Az > 0 in front of the surface of the workpiece, for example Az is in the range of 100 pm to 200 pm, so that there is already sufficient intensity on the workpiece surface for processing the material is available. With reference to FIG. 5A, the start of the non-diffracting laser beam can also only take place in the workpiece (Az<0).
Nach der Abbildung und dem Eintreten in das Werkstück verlaufen die radialen Strahlanteile in der Z-Y-Ebene im Material beispielsweise unter einem Winkel 6’ auf die Strahlachse 5 zu.
Dies ist in Fig. 4A (ideale Propagation; ohne Aberrationen) für eine plane Oberfläche 37 gezeigt. Die Interferenz der radialen Strahlanteile 3 A erfolgt über die gesamte Länge. After imaging and entering the workpiece, the radial beam components in the ZY plane in the material run towards the beam axis 5 at an angle 6', for example. This is shown in FIG. 4A (ideal propagation; without aberrations) for a flat surface 37. FIG. The interference of the radial beam components 3 A takes place over the entire length.
Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) ist entlang der Strahlachse 5 (in Z-Richtung) in Fig. 5 A gezeigt, wie er mit einem Bessel-Strahl erzeugt werden kann. Einen zugehörigen transversalen Intensitätsverlauf I(x, y) zeigt Fig. 5B. Die Intensitätsverläufe entsprechen denen der Abbildung (b) der Fig. 1. An exemplary intensity profile I(x, z) is shown along the beam axis 5 (in the Z direction) in FIG. 5A, as can be generated with a Bessel beam. An associated transverse intensity profile I(x, y) is shown in FIG. 5B. The intensity curves correspond to those in image (b) of Fig. 1.
Ziel ist es, einen derartigen Intensitätsverlauf auch für ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche 9Azu erreichen. Dies ist ohne eine Korrektur des optischen Weges in der Krümmungsebene jedoch nicht möglich. The aim is to achieve such an intensity curve for a workpiece with a curved surface 9A. However, this is not possible without correcting the optical path in the plane of curvature.
Fig. 4B (gestörte Propagation; mit Aberrationen) verdeutlicht die Problematik für den Eintritt eines Bessel-Strahl-geformten Laserstrahls in ein Material durch eine gekrümmte Oberfläche 39. Aufgrund der Krümmung (d.h., eines lokal geneigten Einfalls) verlaufen die radialen Strahlanteile im Material unter variierenden Winkeln 6(r) auf die Strahlachse 5 zu. Die Interferenzbedingungen sind beim Bessel-Strahl nur anfangs (beim inversen Bessel-Strahl nur am Ende) aufgrund der noch angenähert planen Oberfläche im zentralen Bereich um die Strahlachse gegeben. Dies ist beispielsweise die Situation für eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius R von 5 mm und einen Durchmesser D des auftreffenden Laserstrahls 3 von z.B. 250 pm bis 2 mm. 4B (disturbed propagation; with aberrations) illustrates the problem of a Bessel beam-shaped laser beam entering a material through a curved surface 39. Due to the curvature (ie, a locally inclined incidence), the radial beam components run under the material varying angles 6(r) towards the beam axis 5. In the case of the Bessel beam, the interference conditions are only given at the beginning (in the case of the inverse Bessel beam only at the end) due to the still approximately flat surface in the central area around the beam axis. For example, this is the situation for a surface with a radius of curvature R of 5 mm and a diameter D of the impinging laser beam 3 of, for example, 250 μm to 2 mm.
Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) wird in den Figuren 6Aund 6B für diese Situation des Eintritts durch eine gekrümmte Oberfläche gezeigt. Fig. 6A zeigt einen Intensitätsverlauf I(x, z). Man erkennt, dass entlang der Strahlachse 5 (in Z-Richtung) hohe Intensitäten nur über einen begrenzten Bereich vorliegen, anschließend bilden sich Zonen etwas höherer Intensität in einem Abstand von der Strahlachse 5 aus. In der zugehörigen transversalen Intensitätsverlauf I(x, y) der Fig. 6B erkennt man, dass diese off-axis Zonen in der X- und Y-Richtung angeordnet sind. An exemplary intensity curve I(x,z) is shown in Figures 6A and 6B for this curved surface entry situation. 6A shows an intensity profile I(x, z). It can be seen that high intensities are only present over a limited area along the beam axis 5 (in the Z-direction), zones of somewhat higher intensity then form at a distance from the beam axis 5 . In the associated transversal intensity profile I(x, y) in FIG. 6B, it can be seen that these off-axis zones are arranged in the X and Y directions.
Die Wellenfrontaberrationen beim Durchgang durch die gekrümmte Oberfläche 39 resultieren somit in einer Fokusverteilung mit signifikantem Intensitätsverlust in Ausbreitungsrichtung,
sodass eine optische Bearbeitung von insbesondere tiefer liegenden Bereichen nicht mehr möglich wird. The wavefront aberrations when passing through the curved surface 39 thus result in a focus distribution with a significant loss of intensity in the direction of propagation, so that an optical processing of deep-lying areas in particular is no longer possible.
Zurückkommend auf Fig. 3B ist aufgrund der in der Z-X-Ebene gekrümmten Oberfläche 9A des Rohrs 9 eine Ausbildung eines sich über die gesamte vorgesehene Länge erstreckenden nicht-beugenden Strahls (d.h., eine konstruktive Interferenz in insbesondere tiefer liegenden Bereichen) ohne Kompensation in der Z-X-Ebene nicht mehr gegeben, da sich die Bedingungen hinsichtlich der Interferenz im Werkstück von denen in der Interferenzzone 33 unterscheiden. Die gewünschte Intensitätsverteilung wird also ohne Kompensation nicht mehr im Werkstück erzeugt. Coming back to FIG. 3B, due to the surface 9A of the tube 9 being curved in the ZX plane, a non-diffracting beam extending over the entire intended length is formed (ie, constructive interference in particularly deeper lying areas) without compensation in the ZX - level is no longer given, since the conditions regarding the interference in the workpiece differ from those in the interference zone 33. The desired intensity distribution is therefore no longer generated in the workpiece without compensation.
Vorausgesetzt das hierin vorgeschlagene Konzept der Phasenkompensation wurde vorgenommen, beeinflusst die Korrekturphase den Verlauf des Laserstrahls im Material derart, dass die radialen Strahlanteile auch in der Z-X-Ebene ebenfalls im Wesentlichen unter dem Winkel 6’ auf die Strahlachse 5 zulaufen. Provided that the phase compensation concept proposed here has been implemented, the correction phase influences the course of the laser beam in the material in such a way that the radial beam components also in the Z-X plane also essentially run towards the beam axis 5 at the angle 6′.
Zur Phasenkompensation wird im Aufbau der Figuren 3 A und 3B vor dem Axicon 31 eine Zylinderlinse 35 positioniert, deren refraktive Wirkung in der Querschnittsebene des Rohrs 9 liegt. Zur Verdeutlichung einer alternativen Anordnung ist eine Zylinderlinse 35’ in Fig. 3B gestrichelt angedeutet, die direkt strahlabwärts im Anschluss an das Axicon 31 im Strahlengang in der Bearbeitungsoptik positioniert ist. Die Zylinderlinse 35, 35’ stellt den Ort des Auf- prägens einer achsensymmetrischen Phasenverteilung dar. For phase compensation, a cylindrical lens 35 is positioned in front of the axicon 31 in the structure of FIGS. 3A and 3B, the refractive effect of which is in the cross-sectional plane of the tube 9 . To illustrate an alternative arrangement, a cylindrical lens 35' is indicated in dashed lines in FIG. 3B, which is positioned directly downstream of the axicon 31 in the beam path in the processing optics. The cylindrical lens 35, 35' represents the place where an axisymmetric phase distribution is imposed.
Die Zylinderlinse weist einen Brechungsindex nz, einen Zylinderradius Rz und eine Brennweite fz auf, um Aberrationen des Werkstücks mit einem Krümmungsradius Ra der Oberflächen und einem Brechungsindex nw zu kompensieren. The cylindrical lens has a refractive index nz, a cylinder radius Rz and a focal length fz to compensate for aberrations of the workpiece with a radius of curvature Ra of the surfaces and a refractive index nw.
Bis auf die Zylinderlinse 35 sind die Optiken im Aufbau der Figuren 3 A und 3B rotationssymmetrisch um die Strahlachse 5 im Fall eines rotationssymmetrischen Axicon 31 zu verstehen. Except for the cylindrical lens 35, the optics in the structure of FIGS. 3A and 3B are to be understood as rotationally symmetrical about the beam axis 5 in the case of a rotationally symmetrical axicon 31.
Aufgrund der Zylinderlinse 35 wird sich die Interferenz im Anschluss an das Axicon 31 nicht mehr rotationssymmetrisch ausbilden, da sich z.B. die Bedingungen in der Interferenzzone 33 in der Z-Y-Ebene von denen in der Y-X-Ebene unterscheiden.
Die in Figur 2 und in den Figuren 3 A und 3B gezeigten optischen Systeme sind Beispiele für ein optisches System zum Strahlformen eines Laserstrahls für eine Ausbildung einer Fokuszone in einem Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche, wobei die Fokuszone entlang einer Strahlachse des Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist. Dabei weisen die optischen Systeme zum einen eine fokusbildende Optik auf, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse (d.h., für eine Ausbildung eines nicht-beugenden Strahls) im Werkstück durch Interferenz bewirkt. Zum anderen ist eine Phasenkorrektur im optischen System vorgesehen, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegenwirkt. Die Phasenkorrektur kann allgemein diffraktiv, refraktiv und/oder reflektiv umgesetzt werden. Sie kann z.B. als eine phasenkorrigierende (separate) Optik vorgesehen werden oder in die fokusbildende Optik integriert sein. Because of the cylindrical lens 35, the interference will no longer develop rotationally symmetrically following the axicon 31 since, for example, the conditions in the interference zone 33 in the ZY plane differ from those in the YX plane. The optical systems shown in Figure 2 and in Figures 3A and 3B are examples of an optical system for beam shaping a laser beam for forming a focal zone in a workpiece having a curved surface, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam. On the one hand, the optical systems have focus-forming optics that allow beam components to enter the beam axis of the laser beam at an angle of incidence for forming the elongated focus zone along the beam axis (ie, for forming a non-diffracting beam) in the workpiece by interference causes. On the other hand, a phase correction is provided in the optical system, which counteracts the interference being influenced by the laser beam entering the workpiece. The phase correction can generally be implemented as diffractive, refractive and/or reflective. It can, for example, be provided as phase-correcting (separate) optics or be integrated into the focus-forming optics.
Für die Verwendung einer Zylinderlinse 35, 35’ als Kompensationsoptik sollte die Zylinderlinse 35, 35’ so nah wie möglich in der Ebene des Axicon bzw. des diffraktiven optischen Elements (Strahlformungselement 27) stehen (möglichst direkt davor oder danach). For the use of a cylindrical lens 35, 35' as compensation optics, the cylindrical lens 35, 35' should be as close as possible in the plane of the axicon or the diffractive optical element (beam shaping element 27) (if possible directly in front of or behind it).
Die Auswahl des Krümmungsradius Rz der Oberfläche der Zylinderlinse hängt von der relativen Lage des nicht-beugenden Strahls hinsichtlich des Werkstücks, insbesondere vom Beginn der langgezogenen Fokuszone hinsichtlich der Eintrittsoberfläche des Werkstücks, ab. The selection of the radius of curvature Rz of the surface of the cylindrical lens depends on the relative location of the non-diffracting beam with respect to the workpiece, particularly the beginning of the elongated focal zone with respect to the entrance surface of the workpiece.
Für den Fall, dass keine Verschiebung Az des Beginns der langgezogenen Fokuszone zur Eintrittsoberfläche vorliegt (Az = 0), berechnet sich der Krümmungsradius Rz der ZylinderlinseIn the event that there is no shift Az of the beginning of the elongated focal zone to the entrance surface (Az = 0), the radius of curvature Rz of the cylindrical lens is calculated
2 in guter Näherung aus fz » Rw M / (n-1) und fz »Rz / (nz-1)
2 in good approximation from fz » Rw M / (n-1) and fz » Rz / (nz-1)
Rz: Krümmungsradius der Zylinderlinse, nz: Brechungsindex der Zylinderlinse, Rz: radius of curvature of the cylindrical lens, nz: refractive index of the cylindrical lens,
Rw: Krümmungsradius der Oberfläche des Werkstücks, nw: Brechungsindex des Materials des Werkstücks und Rw: radius of curvature of the surface of the workpiece, nw: refractive index of the material of the workpiece and
M: M = fl / f2 - Abbildungsfaktor des Strahlengangs zwischen einem Ort des Aufprägens der Phasenverteilung und dem Werkstück.
Berücksichtigt man, dass die langgezogene Fokuszone vor der Eintrittsoberfläche des Werkstücks beginnt (Az größer 0) oder in das Werkstück hineinfällt (Az kleiner 0), ergeben sich folgende näherungsweisen Definitionen des Krümmungsradius Rz der Oberfläche der Zylinderlinse, die jeweils für Az = 0 der obigen Bedingung entspricht. M: M = fl / f2 - imaging factor of the beam path between a location where the phase distribution is impressed and the workpiece. If one considers that the elongated focal zone begins in front of the entry surface of the workpiece (Az greater than 0) or falls into the workpiece (Az less than 0), the following approximate definitions of the radius of curvature R z of the surface of the cylindrical lens result, which for Az = 0 are the meets the above condition.
2 1 2 1
Az > 0 (mit den zusätzlichen Parametern a = 5060 mm und b = 9645 mm ):
Az > 0 (with the additional parameters a = 5060 mm and b = 9645 mm):
Az < 0 (mit den zusätzlichen Parametern c = 284 mm'^ und d = 590):
Az < 0 (with the additional parameters c = 284 mm'^ and d = 590):
Der in Fig. 7 dargestellte Graph zeigt eine beispielhafte (aus obigen Definitionen zusammengesetzte) Funktion des Krümmungsradius Rz in Abhängigkeit von der Verschiebung Az unter Annahme der folgenden Parameter: The graph shown in FIG. 7 shows an exemplary function (composed of the above definitions) of the radius of curvature R z as a function of the displacement Az, assuming the following parameters:
- Abbildungsfaktor des optischen Systems M = 10, - imaging factor of the optical system M = 10,
- Brechungsindex des Materials des Werkstücks nw = 1,5, - refractive index of the material of the workpiece n w = 1.5,
- Krümmungsradius der Oberfläche des Werkstücks Rw = 3,5mm, - radius of curvature of the surface of the workpiece R w = 3.5mm,
- Brechungsindex der Zylinderlinse nz = 1,5. - Refractive index of the cylindrical lens n z = 1.5.
Man erkennt den angenäherten Linearen Verlauf für Az < 0 sowie den angenähert quadratischen Verlauf für Az > 0. You can see the approximate linear progression for Az < 0 and the approximately quadratic progression for Az > 0.
Wie in Fig. 2 angedeutet ist entsprechend bei einem „positiv“ gewölbt Glasröhrchen (konvex in der Schnittebene) eine „negative“ Zylinderlinsenwölbung (konkav) vorzusehen. Mit anderen Worten hat eine durch die Zylinderlinse hervorgerufene Phasenverteilung eine streuende Wirkung (und nicht eine sammelnde Wirkung, wie sie beim Eintritt in das Glasröhrchen eintritt). Der Fachmann wird anerkennen, dass mit den hierin offenbarten Konzepten auch Werkstücke mit einer konkav gekrümmten Oberfläche (beispielsweise für eine Laserbearbeitung
entlang eines eine Rinne aufweisenden Stabs) durch vorsehen einer „positiven“ Zylinderlinsenwölbung (konvex) bearbeitet werden kann. As indicated in FIG. 2, a “negative” cylindrical lens curvature (concave) is to be provided for a “positive” curved glass tube (convex in the cutting plane). In other words, a phase distribution caused by the cylindrical lens has a scattering effect (and not a collecting effect as occurs when entering the glass tube). Those skilled in the art will appreciate that the concepts disclosed herein can also be used for workpieces with a concavely curved surface (e.g. for laser processing along a rod having a trough) can be machined by providing a "positive" cylindrical lens curvature (convex).
Krümmungsradien werden hierin allgemein in einer Schnittebene quer zur Längsachse des zu schneidenden Werkstücks/Rohrab Schnitts betrachtet. Ein Krümmungsradius ist für ein Werkstück mit einer in der Schnittebene konvexen Form (runde Rohroberfläche) invers bezüglich einer konkaven Form. Die Krümmung der korrigierenden Optiken (bzw. eine den entsprechenden Phasenverläufen zuordbare „Krümmung“) ist entsprechend zur Krümmung des Werkstücks invertiert. Dies ist in obiger Formel für durch den Faktor (-1) angedeutet. Man erkennt in Fig. 7 einen Krümmungsradius Rz kleiner Null/negative Zylinderlinse für eine konkave Form des Werkstücks. Entsprechend ergibt sich ein Krümmungsradius Rz größer Null/positive Zylinderlinse für eine konvexe Form des Werkstücks. Der Fachmann wird anerkennen, dass neben plan-konvexen oder plan-konkaven Zylinderlinsen (siehe Fig. 2) entsprechende beidseitig gekrümmte Linsen mit dem entsprechenden Brechungsverhalten eingesetzt werden können. Radii of curvature are generally considered herein to be in a cutting plane transverse to the longitudinal axis of the workpiece/pipe section to be cut. A radius of curvature is inverse to a concave shape for a workpiece having a convex shape (round tube surface) in the cutting plane. The curvature of the correcting optics (or a “curvature” that can be assigned to the corresponding phase curves) is inverted in accordance with the curvature of the workpiece. This is indicated in the above formula for by the factor (-1). A radius of curvature R z of less than zero/negative cylindrical lens for a concave shape of the workpiece can be seen in FIG. Accordingly, a radius of curvature R z greater than zero/positive cylindrical lens results for a convex shape of the workpiece. The person skilled in the art will recognize that in addition to plano-convex or plano-concave cylindrical lenses (see FIG. 2), corresponding lenses curved on both sides with the corresponding refractive behavior can be used.
Wie der Fachmann ferner anerkennen wird, können diffraktive optische Strahlformungselemente und/oder refraktive und/oder reflektive Optiken für die vorzunehmende Phasenkorrektur eingesetzt werden. Nachfolgend werden anhand der Figuren 8Abis 8F Phasenverteilungen Ausführungsformen mit diffraktiven optischen Strahlformungselementen erläutert. As will be further appreciated by those skilled in the art, diffractive optical beam shaping elements and/or refractive and/or reflective optics may be employed for the phase correction to be performed. Embodiments with diffractive optical beam-shaping elements are explained below with reference to FIGS. 8A to 8F.
Beispielhafte Phasenverteilungen sind für einen realistischen Laserbearbeitungsfall basierend auf Phasenverläufen, wie sie einem 2°-Axicon und einer 1000 mm-Zylinderlinse entsprechen, in den Figuren 8Abis 8C für zentrale Ausschnitte von z.B. 1-Zoll-Durchmesser-DOEs gezeigt. Da die Phasenverteilung für das 2°-Axicon die kombinierte Phasenverteilung dominiert, zeigen die Figuren 8D bis 8F zur Verdeutlichung einen beispielhaften Fall basierend auf Phasenverläufen, wie sie einem 0,5°-Axicon und einer 200 mm-Zylinderlinse zugeordnet werden können. Exemplary phase distributions are shown in Figures 8A through 8C for central sections of e.g. Since the phase distribution for the 2° axicon dominates the combined phase distribution, for clarification, FIGS. 8D to 8F show an exemplary case based on phase curves as can be assigned to a 0.5° axicon and a 200 mm cylindrical lens.
Fig. 8A zeigt eine zweidimensionale Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) [in rad] für ein dif- fraktives optisches Element, das eine fokusbildende Strahlformung bewirkt. Insbesondere kann die Phasenverteilung PHI_ BESSEL(x, y) eine symmetrische Bessel-Strahl-Phasenver- teilung auf einen einfallenden Gaußschen Strahl (zur Erzeugung eins Bessel-Gauß-Strahls) aufprägen. In der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) erkennt man ringförmig verlaufende
konstante Phasenschiebungswerte, die radial in einer Sägezahnform zwischen -PI und +PI verlaufen. Die Phasenschiebungswerte stellen erste Phasenbeiträge 25 A der Strahlformung dar und bewirken ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück durch Interferenz. Die langgezogene Fokuszone entspricht in etwa der mit einem 2°-Axicon (y = 2°) erzeugten Fokuszone. FIG. 8A shows a two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) [in rad] for a diffractive optical element that brings about focus-forming beam shaping. In particular, the phase distribution PHI_BESSEL(x,y) can impose a symmetrical Bessel beam phase distribution on an incident Gaussian beam (to produce a Bessel-Gaussian beam). In the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) you can see rings running constant phase shift values radially ramping in a sawtooth shape between -PI and +PI. The phase shift values represent first phase contributions 25 A of the beam formation and cause beam components to arrive at a beam axis of the laser beam at an angle of incidence for formation of an elongated focus zone along the beam axis in the workpiece through interference. The elongated focal zone roughly corresponds to the focal zone created with a 2° axicon (y = 2°).
Fig. 8B zeigt eine zweidimensionale Phasenverteilung PHI_ZYL(x, y) für ein diffraktives optisches Element, das eine phasenkorrigierende Strahlformung bewirkt, wie sie bei der Bearbeitung eines Rohres mit einem Außenradius von 5 mm mit einer langgezogenen Fokuszone, wie sie mit der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) erzeugt wird, eingesetzt werden kann. Der Phasenverlauf entspricht in etwa dem einer 1000 mm-Zylinderlinse mit einem Zylinderradius von „Rz » -500 mm“. FIG. 8B shows a two-dimensional phase distribution PHI_ZYL(x, y) for a diffractive optical element, which causes a phase-correcting beam shaping, as is the case when processing a pipe with an outer radius of 5 mm with an elongated focal zone, as is the case with the phase distribution PHI_BESSEL( x, y) is generated can be used. The phase curve roughly corresponds to that of a 1000 mm cylindrical lens with a cylinder radius of "Rz » -500 mm".
Man erkennt in Y-Richtung konstante Phasenschiebungswerte, die in X-Richtung in einer Sägezahn-ähnlichen Form zwischen -PI und +PI quadratisch in x-Richtung verlaufen (ansteigen) und zweite Phasenbeiträge 25B der Strahlformung darstellen. Die zweiten Phasenbeiträge 25B bilden eine zu einer Symmetrieachse S symmetrische Phasenverteilung, wobei die zweiten Phasenbeiträge 25B parallel zur Symmetrieachse S (in y-Richtung) konstant sind und sich senkrecht zur Symmetrieachse S verändern. One recognizes constant phase shift values in the Y direction, which run (increase) squarely in the X direction in a sawtooth-like form between −PI and +PI in the X direction and represent second phase contributions 25B of the beam shaping. The second phase contributions 25B form a phase distribution that is symmetrical to an axis of symmetry S, the second phase contributions 25B being constant parallel to the axis of symmetry S (in the y-direction) and changing perpendicularly to the axis of symmetry S.
Angenommen, es liegen ein Abbildungsfaktor M = 10 und entsprechend übliche Brechungsindizes für die Zylinderlinse und das Rohr vor, können die zweiten Phasenbeiträge 25B die Eintrittsphase aufheben, die von einem Laserstrahl bei einem Eintritt in das Rohr mit dem Außenradius von 5 mm lokal, d.h., auf einem Flächenelement auf der gekrümmten Oberfläche, akkumuliert werden. Assuming that there is an imaging factor M = 10 and correspondingly usual refractive indices for the cylindrical lens and the tube, the second phase contributions 25B can cancel out the entry phase that occurs locally, ie, when a laser beam enters the tube with the outer radius of 5 mm on a surface element on the curved surface.
Die zweidimensionale Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) und die Phasenverteilung PHI_ZYL(x, y) können mit einem diffraktiven optischen Element zusammengefasst erzeugt werden. Fig. 8C zeigt eine entsprechende überlagerte zweidimensionale Phasenverteilung PHI total (x, y), bei der die zweidimensionale Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) im Erscheinungsbild dominiert.
Zur Verdeutlichung des Erscheinungsbildes einer Überlagerung eines punktsymmetrischen Phasenverlaufs zur Bessel-Strahl-Erzeugung eines achsensymmetrischen Phasenverlaufs zur Phasenkorrektur zeigt Fig. 8D eine Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) zur Erzeugung einer langgezogene Fokuszone, die in etwa der mit einem 0,5°-Axicon erzeugten Fokuszone entspricht. Fig. 8E zeigt eine zweidimensionale Phasenverteilung PHI_ZYL(x, y), deren Phasenverlauf in etwa dem einer 200 mm-Zylinderlinse mit einem Zylinderradius von ca. -100 mm entspricht. The two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) and the phase distribution PHI_ZYL(x, y) can be generated together with a diffractive optical element. 8C shows a corresponding superimposed two-dimensional phase distribution PHI total (x, y), in which the two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) dominates in appearance. To clarify the appearance of a superimposition of a point-symmetrical phase curve for Bessel beam generation of an axisymmetric phase curve for phase correction, Fig. 8D shows a phase distribution PHI_BESSEL(x, y) for generating an elongated focal zone, which is approximately that of a 0.5° axicon generated focus zone corresponds. FIG. 8E shows a two-dimensional phase distribution PHI_ZYL(x, y) whose phase profile corresponds approximately to that of a 200 mm cylindrical lens with a cylinder radius of approximately −100 mm.
In Fig. 8F erkennt man nun in der überlagerten zweidimensionalen Phasenverteilung PHI to- tal(x, y) eine entsprechende Verformung der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y). Mit der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) der Fig. 8F könnte ein Rohr mit einem Außenradius von 1 mm (bei M = 10) bearbeitet werden. Es wird noch einmal angemerkt, dass die den Figuren 8D bis 8F zugrundeliegenden Parameter rein der Verdeutlichung der Phasenverläufe dienen und weniger ein realistisches Beispiel darstellen sollen. In FIG. 8F, a corresponding deformation of the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) can now be seen in the superimposed two-dimensional phase distribution PHI total(x, y). With the phase distribution PHI_BESSEL(x,y) of Figure 8F, a tube with an outside radius of 1mm (at M=10) could be machined. It is noted once again that the parameters on which FIGS. 8D to 8F are based serve purely to clarify the phase curves and are not intended to represent a realistic example.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche. FIG. 9 shows a flow chart of a method for laser machining a workpiece with a curved surface.
In einem Schritt 101 erfolgt ein Strahlformen eines Laserstrahls zum Ausbilden einer langgezogenen Fokuszone in dem Material des Werkstücks. Das Strahlformen wird mit einer Anordnung von diffraktiven und/oder refraktiven und/oder reflektiven Optiken durchgeführt. Der Schritt 101 umfasst die Teilschritte einer fokusbildenden Strahlformung lOlAund einer phasenkorrigierenden Strahlformung 101B. In a step 101, a laser beam is shaped to form an elongated focus zone in the material of the workpiece. Beam shaping is performed with an array of diffractive and/or refractive and/or reflective optics. Step 101 includes the sub-steps of focus-forming beam shaping 101A and phase-correcting beam shaping 101B.
Die fokusbildende Strahlformung 101 A bewirkt ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück durch Interferenz. The focus-forming beam shaping 101 A causes beam components to run in at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for forming the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece by interference.
Die phasenkorrigierende Strahlformung 101B wirkt einer Beeinflussung der Interferenz durch den Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegen. The phase-correcting beam shaper 101B counteracts the interference caused by the laser beam entering the workpiece.
Die Schritte lOlAund 101B können auch in einem gemeinsamen Phasenaufprägungsschritt kombiniert durchgeführt werden. So kann im Schritt 101 eine zweidimensionale Phasenverteilung auf den Laserstrahl zum Ausbilden der langgezogenen Fokuszone aufgeprägt werden,
wobei die Phasenverteilung für die fokusbildende Strahlformung erste Phasenbeiträge umfasst, die das Einlaufen von Strahl anteil en unter dem Einlaufwinkel bewirken, und/oder für die phasenkorrigierende Strahlformung zweite Phasenbeiträge umfasst, die eine vom Laserstrahl bei einem Eintritt in das Werkstück lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben. Die akkumulierte Eintrittsphase wird für eine Ausrichtung der Strahlachse entlang einer Normalenrichtung der Oberfläche an einem Auftreffpunkt der Strahlachse auf die Oberfläche bestimmt. Sie berücksichtigt den Einlaufwinkel (6‘), den Krümmungsradius Rw der Oberfläche des Werkstücks am Auftreffpunkt und den Brechungsindex nw des Werkstücks (insbesondere des Materials im Bereich des Strahleintritts des Werkstücks). Steps 101A and 101B can also be carried out in combination in a common phase imprinting step. In step 101, a two-dimensional phase distribution can be applied to the laser beam to form the elongated focal zone. wherein the phase distribution for the focus-forming beam shaping includes first phase contributions, which cause beam components to arrive at the angle of arrival, and/or for the phase-correcting beam shaping, second phase contributions, which cancel out an entry phase locally accumulated by the laser beam when it enters the workpiece. The accumulated entry phase is determined for an alignment of the beam axis along a normal direction of the surface at a point of impact of the beam axis on the surface. It takes into account the angle of arrival (θ'), the radius of curvature Rw of the surface of the workpiece at the point of impingement and the refractive index nw of the workpiece (particularly of the material in the area where the beam enters the workpiece).
In einem Schritt 103 kann ein Ausrichten der symmetrische Phasenverteilung und des Werkstücks derart erfolgen, dass eine Symmetrieachse der Phasenverteilung der zweiten Phasenbeiträge unter Berücksichtigung des Strahlengangs zwischen einem Ort des Aufprägens dieser achsensymmetrischen Phasenverteilung und dem Werkstück orthogonal zu einer Ebene verläuft, in der ein (maximaler) Krümmungsradius der Oberfläche definiert ist. In a step 103, the symmetrical phase distribution and the workpiece can be aligned in such a way that an axis of symmetry of the phase distribution of the second phase contributions, taking into account the beam path, runs orthogonally to a plane between a location where this axisymmetric phase distribution is impressed and the workpiece, in which a (maximum ) radius of curvature of the surface is defined.
In einem Schritt 105 werden Strahlparameter des Laserstrahls derart eingestellt, dass das Material des Werkstücks in der langgezogenen Fokuszone strukturell modifiziert wird. In a step 105, beam parameters of the laser beam are set in such a way that the material of the workpiece is structurally modified in the elongated focal zone.
In einem Schritt 107 wird der Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks entlang eines Strahlengangs eingestrahlt, der den Laserstrahl in das Material des Werkstücks zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone abbildet. Dabei kann die Strahlachse des Laserstrahls zu einer Normalenrichtung der Oberfläche derart ausgerichtet werden (Schritt 107A), dass die Strahlachse in einem Winkelbereich von 5° um die Normalenrichtung und bevorzugt entlang der Normalenrichtung auf die Oberfläche auftrifft. In a step 107, the laser beam is radiated onto the surface of the workpiece along a beam path that images the laser beam into the material of the workpiece to form the elongated focal zone. The beam axis of the laser beam can be aligned to a normal direction of the surface (step 107A) such that the beam axis impinges on the surface in an angular range of 5° around the normal direction and preferably along the normal direction.
Hinsichtlich der Schritte 103 und 107 kann ein Justagevorgang durchgeführt werden, beispielsweise mit der in der deutschen Patentanmeldung 10 2020 103 884.4, “Justage- Vorrichtung für eine Bessel-Strahl-Bearbeitungsoptik und Verfahren”, mit Anmeldetag 14. Februar 2020 der Anmelderin beschriebenen Anordnung. With regard to steps 103 and 107, an adjustment process can be carried out, for example with the arrangement described in German patent application 10 2020 103 884.4, “Adjustment device for a Bessel beam processing optics and method”, with the application date February 14, 2020 of the applicant.
Für die Laserbearbeitung kann z.B. die Axiconspitze 31_S (siehe Fig. 2) als Begin der langgezogenen Fokuszone virtuell auf der Oberfläche des Rohres 9 abgebildet werden (Az = 0). Alternativ kann der Beginn der langgezogenen Fokuszone vor der Oberfläche des Rohres 9 (Az
> 0) oder erst im Rohr 9 (Az < 0) liegen. Eine entsprechend angepasste Wahl des Krümmungsradius angenommen kann die Positionierung des optischen Systems zum Werkstück bevorzugt in Strahlausbreitungsrichtung (entlang der Strahlachse) eine z-Lagentoleranz von wenigen 100 Mikrometern, z.B. ±200pm aufweisen. For laser processing, for example, the axicon tip 31_S (see FIG. 2) can be imaged virtually on the surface of the tube 9 (Az=0) as the beginning of the elongated focal zone. Alternatively, the beginning of the elongated focal zone in front of the surface of the tube 9 (Az > 0) or only in tube 9 (Az <0). Assuming an appropriately adapted selection of the radius of curvature, the positioning of the optical system relative to the workpiece, preferably in the direction of beam propagation (along the beam axis), can have a z-position tolerance of a few 100 micrometers, eg ±200 pm.
Für die Justage kann eine Justage-Zylinderlinse als Werkstückersatz (Vorderseite gewölbt wie das zu bearbeitende Rohr, Rückseite plan) genutzt werden. Für die Laserbearbeitung ist ein entsprechend genauer Austausch zu ermöglichen. Auf deren Vorderseite der Zylinderlinse kann eine Markierung angebracht werden, beispielsweise Metall aufgedampft oder ein Zeichen aufgemalt werden. Strahlabwärts der Justage-Zylinderlinse ist ein Teleskop angeordnet, dessen Fokusebene mit einer Kamera zur Abbildung der Oberfläche aufgenommen wird. For adjustment, an adjustment cylinder lens can be used as a substitute for the workpiece (front curved like the tube to be processed, back flat). A correspondingly precise exchange must be made possible for laser processing. A marking can be applied to the front of the cylindrical lens, for example metal can be vapor-deposited or a character can be painted on. A telescope is arranged downstream of the adjustment cylinder lens, the focal plane of which is recorded with a camera for imaging the surface.
In einem ersten Schritt des Justagevorgangs wird die Kamera auf die Oberfläche der Justage- Zylinderlinse eingestellt, sodass die Markierung scharf abgebildet wird. In a first step of the adjustment process, the camera is adjusted to the surface of the adjustment cylinder lens so that the marking is sharply imaged.
In einem zweiten Schritt des Justagevorgangs wird die Bearbeitungsoptik zur Oberfläche der Justage-Zylinderlinse ausgerichtet. Hierbei sind sowohl eine transversale Position (in X/Y- Richtung) zu justieren als auch eine longitudinale Position (in Z-Richtung). In a second step of the adjustment process, the processing optics are aligned with the surface of the adjustment cylinder lens. Here, both a transversal position (in the X/Y direction) and a longitudinal position (in the Z direction) have to be adjusted.
Für die transversale Positionierung wird das Rohr in entgegengesetzte Richtungen aus dem Strahlengang verschoben, wobei die beidseitigen Kanten der Linse gut detektierbar sind und der Mittelwert die transversale Position ergibt. For transversal positioning, the tube is shifted out of the beam path in opposite directions, with the edges of the lens on both sides being easily detectable and the mean value giving the transversal position.
Für die longitudinale Positionierung wird die virtuelle Ebene der Gaußschen-Einhüllenden des Rohstrahls auf dem Axicon gesucht. Ist die Test-Zylinderlinse zu nah, erkennt die Kamera die Bessel-Strahl-Fokuszone, ist die Test-Zylinderlinse zu weit weg, erkennt die Kamera bereits die Ringverteilung. Die weitgehend korrekte Lage in Z-Richtung ist gegeben, wenn die Einhüllende des Strahlprofils möglichst kreisrund und nicht elliptisch ausgebildet ist. Die plane Rückseite der Test-Zylinderlinse aberriert das Kamerabild fast nicht. The virtual plane of the Gaussian envelope of the raw beam on the axicon is searched for the longitudinal positioning. If the test cylinder lens is too close, the camera recognizes the Bessel beam focus zone, if the test cylinder lens is too far away, the camera already recognizes the ring distribution. The largely correct position in the Z-direction is given when the envelope of the beam profile is as circular as possible and not elliptical. The flat back of the test cylindrical lens almost does not aberrate the camera image.
In einem zweiten Schritt des Justagevorgangs wird über eine Referenz in der Z-Position die Zylinderlinse durch das Werkstück, z.B. ein Glasröhrchen, ersetzt.
In einem Schritt 109 wird eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone bewirkt, bei der die Fokuszone entlang einer Abtasttrajektorie im Material des Werkstücks positioniert wird. Entsprechend kann eine Mehrzahl von Modifikationen in das Material des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie eingeschrieben werden. In a second step of the adjustment process, the cylindrical lens is replaced by the workpiece, eg a glass tube, using a reference in the Z position. In a step 109, a relative movement is effected between the workpiece and the focal zone, during which the focal zone is positioned along a scanning trajectory in the material of the workpiece. Accordingly, a plurality of modifications can be written into the material of the workpiece along the scanning trajectory.
Die Relativbewegung kann in Schritt 109 als eine Rotationsbewegung des Werkstücks angesteuert werden, bei der die Strahlachse des Laserstrahls insbesondere durch eine Längsachse des Werkstücks verläuft. Bei einer reinen Rotationsbewegung um eine Längsachse des Werkstücks kann die Abtasttrajektorie des Laserstrahls in einer Ebene der maximalen Krümmung der Oberfläche des Werkstücks verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Translationsbewegung in Richtung der Längsachse des Werkstücks angesteuert werden, um beliebige Abtast- trajektorien auf der Oberfläche des Werkstücks abzufahren. Beispielsweise kann eine Außenkontur zum Unterteilen des Werkstücks 9 in zwei Teile entlang einer Längsachse des Werkstücks 9 (siehe das Beispiel in Fig. 2) oder eine auf eine Oberfläche des Werkstücks 9 geschlossene Innenkontur zum Auslösen eines durch die Innenkontur abgegrenzten Bereichs abgefahren werden (siehe das Beispiel der Fig. 12A). Ferner kann die Abtasttrajektorie in einem oder mehreren Bereichen mit (im Wesentlichen) gleicher Krümmung in der Oberfläche und/oder in einem oder mehreren Bereichen mit variierender Krümmung der Oberfläche verlaufen. The relative movement can be controlled in step 109 as a rotational movement of the workpiece, in which the beam axis of the laser beam runs in particular through a longitudinal axis of the workpiece. In the case of a purely rotational movement about a longitudinal axis of the workpiece, the scanning trajectory of the laser beam can run in a plane of maximum curvature of the surface of the workpiece. Alternatively or additionally, a translational movement in the direction of the longitudinal axis of the workpiece can be controlled in order to traverse any scanning trajectories on the surface of the workpiece. For example, an outer contour for dividing the workpiece 9 into two parts along a longitudinal axis of the workpiece 9 (see the example in Fig. 2) or an inner contour closed on a surface of the workpiece 9 for triggering an area delimited by the inner contour can be traced (see the Example of Figure 12A). Furthermore, the scanning trajectory can run in one or more areas with (substantially) the same curvature in the surface and/or in one or more areas with varying curvature of the surface.
In einem Schritt 111 wird eine Position der Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse überwacht und auf eine Soll-Position (Soll-Abstand vom optischen System) geregelt. Das Überwachen und Regeln wird insbesondere dann durchgeführt, wenn eine Rotationsachse der Rotationsbewegung von einer Rotationssymmetrieachse der Oberfläche des Werkstücks abweicht und/oder die Oberfläche des Werkstücks zumindest abschnittsweise von einem rotationssymmetrischen Oberflächenverlauf abweicht. In a step 111, a position of the surface of the workpiece along the beam axis is monitored and regulated to a target position (target distance from the optical system). Monitoring and regulation is carried out in particular when a rotational axis of the rotational movement deviates from an axis of rotational symmetry of the surface of the workpiece and/or the surface of the workpiece deviates at least in sections from a rotationally symmetrical surface profile.
Verläuft die Trajektorie in einem Bereich mit variierender Krümmung kann in einem Schritt 113 eine phasenkorrigierende Strahlformung 101B‘ in ihrer Kompensationswirkung auf die jeweils vorliegende Krümmung der Oberfläche angepasst werden. Somit kann für die jeweils vorliegende Krümmung der Oberfläche einer Beeinflussung der Interferenz durch den Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegengewirkt werden. Die Anpassung der phasenkorrigierenden Strahlformung erfolgt beispielsweise durch Berücksichtigen der jeweils vorliegenden Krümmung in der zweidimensionalen Phasenverteilung des strahlformenden Elements. Siehe zum Beispiel das in Fig. 12B dargestellte Werkstück mit einer konisch zulaufenden
Werkstückoberfläche, in das entlang einer geschlossenen Innenkontur eine Abfolge von Modifikationen eingeschrieben werden soll. Beispielsweise können die für eine derartige Phasenkorrektur vorgesehenen zweiten Phasenbeiträge 25B in einem einstellbaren SLM entsprechend angepasst werden. Alternativ kann beispielsweise die Krümmung eines deformierbaren Spiegels angepasst werden. If the trajectory runs in a region with varying curvature, in a step 113 a phase-correcting beam shaping 101B′ can be adapted in its compensation effect to the curvature of the surface that is present in each case. Thus, for the curvature of the surface that is present in each case, an influence on the interference by the entry of the laser beam into the workpiece can be counteracted. The phase-correcting beam shaping is adapted, for example, by taking into account the curvature that is present in each case in the two-dimensional phase distribution of the beam-shaping element. For example, see the workpiece shown in Figure 12B with a tapered end Workpiece surface in which a sequence of modifications is to be inscribed along a closed inner contour. For example, the second phase contributions 25B provided for such a phase correction can be adjusted accordingly in an adjustable SLM. Alternatively, for example, the curvature of a deformable mirror can be adjusted.
Die Anpassung kann beispielsweise basierend auf Messungen erfolgen, die während der Strahlbearbeitung durchgeführt werden. Eine entsprechend schnelle Analyseeinheit für die Geometrie des Werkstücks ist bereitzustellen. Alternativ oder in Ergänzung kann in einem Schritt 115 eine Vorvermessung der Geometrie des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie durchgeführt werden. Für die Vorvermessung kann die Laserbearbeitungsanlage beispielsweise die für die Materialbearbeitung abzufahrende Abtasttrajektorie ohne Aktivierung der Laserstrahlquelle lA für die Vermessung der Geometrie des Werkstücks abfahren. The adjustment can be based, for example, on measurements that are carried out during the beam processing. A correspondingly fast analysis unit for the geometry of the workpiece must be provided. As an alternative or in addition, a preliminary measurement of the geometry of the workpiece along the scanning trajectory can be carried out in a step 115 . For the preliminary measurement, the laser processing system can, for example, traverse the scanning trajectory to be traversed for the material processing without activating the laser beam source 1A for measuring the geometry of the workpiece.
In den vorausgehend diskutierten Beispielen werden beispielhaft separate Optiken für die Strahlformung und die Phasenkompensation gezeigt. Jedoch können diese Optiken auch in einer einzelnen Optik (z.B. als refraktives/reflektives Freiformelement oder als diffraktives optisches Element) oder in einem hybriden optischen Element (Eingangsseite Zylinderlinse, Ausgangsseite Axicon; „Zaxicon“) umgesetzt werden. In the examples discussed above, separate optics for beam shaping and phase compensation are shown as examples. However, these optics can also be implemented in a single optic (e.g. as a refractive/reflective free-form element or as a diffractive optical element) or in a hybrid optical element (cylindrical lens on the input side, axicon on the output side; "Zaxicon").
Ferner kann z.B. die langbrennweitige Linse fl des Teleskops 13 A mit in ein hybrides Axicon oder in ein diffraktives optisches Element eingerechnet werden. Alternativ zur Abbildung einer realen Fokuszone (wie einer Bessel-Strahl-artige Fokuszone) kann eine virtuelle Fokuszone (wie eine inverse Bessel-Strahl-artige Fokuszone) mit dem Teleskop 13A abgebildet werden. Furthermore, for example, the long focal length lens f1 of the telescope 13 A can be included in a hybrid axicon or in a diffractive optical element. As an alternative to imaging a real focal zone (such as a Bessel ray-like focal zone), a virtual focal zone (such as an inverse Bessel ray-like focal zone) can be imaged with the telescope 13A.
Mit den hierein beschriebenen Bearbeitungsverfahren können Werkstücke wie Rohre, Zylinder oder Abschnitte eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, bearbeitet werden. Workpieces such as tubes, cylinders or sections of a tube or cylinder, such as a half-tube or half-cylinder, can be machined with the machining methods described herein.
Als Ergebnis der laserbasierten Werkstückbearbeitung liegt ein Werkstück vor, in das eine Mehrzahl von beabstandeten oder ineinander übergehenden Modifikationen eingebracht wurden. Bei einem Rohr sind diese zum Beispiel umlaufend eingebracht (siehe Fig. 2), um das Rohr in 2 Abschnitte zu unterteilen (Abtasten entlang einer umlaufenden Außenkontur).
Ferner können in eine gekrümmte Oberfläche Modifikationen entlang einer Innenkontur eingebracht werden (siehe Figuren 12Aund 12B). Die Modifikationen können zusätzlich Risse im Material ausbilden, die sich zwischen benachbarten Modifikationen oder allgemein zufällig ausgehend von einer der Modifikationen in das Material des Werkstücks hinein erstrecken. The result of the laser-based workpiece processing is a workpiece into which a plurality of spaced modifications or modifications that merge into one another have been introduced. In the case of a pipe, for example, these are introduced all around (see FIG. 2) in order to divide the pipe into 2 sections (scanning along a circumferential outer contour). Furthermore, modifications can be introduced into a curved surface along an inner contour (see FIGS. 12A and 12B). The modifications may additionally form cracks in the material extending between adjacent modifications or generally randomly from one of the modifications into the material of the workpiece.
Die zuvor erläuterten Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl können einen ersten Abschnitt eines Trennvorgangs eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche in zwei Teile darstellen. Nach Abschluss der Materialbearbeitung mit dem Laserstrahl ist das Werkstück zwar mit vielen Modifikationen im Material versehen, jedoch besteht oft noch eine ausreichende Verbindung aus nicht modifiziertem Material zwischen den beiden Teilen. Entsprechend ist ein zweiter Abschnitt des Trennvorgangs notwendig, in dem diese verbleibenden Verbindungen gelöst werden, um die vollständige Trennung des Werkstücks in zwei Teile zu erreichen. The previously explained methods for material processing of a workpiece with a laser beam can represent a first part of a process for separating a workpiece with a curved surface into two parts. After completion of the material processing with the laser beam, the workpiece has many modifications in the material, but there is often still a sufficient connection of unmodified material between the two parts. Correspondingly, a second part of the separation process is necessary, in which these remaining connections are broken, in order to achieve the complete separation of the workpiece into two parts.
Hinsichtlich des zweiten Trennvorgangs wird ergänzt, dass eine Modifikation im Rahmen dieser Offenbarung eine strukturelle Veränderung des Materials des Werkstücks darstellt, die das Material z.B. von einem nicht-ätzbaren Zustand des nicht-modifizierten Materials in einen ätzbaren Zustand des modifizierten Materials überführt. Entsprechend können Modifikationen insbesondere durch eine Zunahme der nass-chemischen Ätzbarkeit im Vergleich zum nichtmodifizierten Material gekennzeichnet sein. Entsprechend kann eine Trennung des Glasrohrs in zwei Teile im Rahmen eines nass-thermischen Ätzvorgangs erreicht werden. Derartige nass-chemische Ätzvorgänge können insbesondere zum Herauslösen von Materialbereichen eingesetzt werden, die entlang einer Innenkontur ausgeschnitten wurden. With regard to the second separation process, it is added that a modification within the scope of this disclosure represents a structural change in the material of the workpiece, which converts the material, for example, from a non-etchable state of the unmodified material to an etchable state of the modified material. Accordingly, modifications can be characterized in particular by an increase in wet-chemical etchability compared to the unmodified material. Accordingly, the glass tube can be separated into two parts within the scope of a wet-thermal etching process. Such wet-chemical etching processes can be used in particular to remove material areas that have been cut out along an inner contour.
Ein weiterer Ansatz zum Trennen eines Werkstücks in zwei Teile kann darauf basieren, dass eine Modifikation des Materials von einer Ausbildung eines ebenfalls langgezogenen Hohlraums begleitet werden kann. Ist dies der Fall, und sind ausreichend viele Hohlräume umlaufend im Glasrohr ausgebildet worden, kann ein (insbesondere spontanes) Brechen des Glasrohrs entlang einer von der Abfolge von Hohlräumen gebildeten Schwächungslinie eintreten. Another approach to separating a workpiece into two parts can be based on the fact that a modification of the material can be accompanied by the formation of a likewise elongated cavity. If this is the case and if a sufficient number of cavities have been formed circumferentially in the glass tube, the glass tube can break (in particular spontaneously) along a weakening line formed by the sequence of cavities.
Ein weiterer Ansatz zum Trennen eines Werkstücks mit einer Abfolge von Modifikationen verwendet eine thermisch induzierte, thermisch unterstützte und/oder thermisch erweiterte Rissbildung. In Zusammenhang mit den Figuren 10 und 11 wird ein derartiger beispielhafter thermischer Trennprozess von bearbeiteten Werkstücken am Beispiel eines Glasrohrs 201
erläutert, wobei das Glasrohr 201 mithilfe eines nicht-beugenden Strahls entlang einer umlaufenden Trajektorie beispielsweise an gleich-beabstandeten Positionen modifiziert wurde. Another approach to parting a workpiece with a sequence of modifications uses thermally induced, thermally assisted, and/or thermally advanced cracking. In connection with Figures 10 and 11, such an exemplary thermal separation process of machined workpieces is shown using the example of a glass tube 201 1, where the glass tube 201 has been modified using a non-diffracting beam along a circumferential trajectory, for example, at equally spaced positions.
Für einen thermisch unterstützten Trennvorgang kann die in Fig. 2 gezeigte Laserbearbeitungsanlage zusätzlich eine Wärmequelle 203 und/oder eine Kühlquelle 205 umfassen. Alternativ kann die Wärmequelle 203 und oder die Kühlquelle 205 im Rahmen einer eigenständigen Trenn- Vorrichtung mit den entsprechend benötigten Freiheitsgraden vorgesehen werden. Die Wärmequelle 203 und die Kühl quelle 205 sind dazu ausgebildet, das Glasrohr 201 insbesondere im Bereich der Modifikationen zu erwärmen oder zu kühlen. Dazu kann eine lokale Erwärmung/Kühlung in Kombination mit einer Rotation des Glasrohrs (angedeutet durch den Pfeil 206 in Fig. 10) vorgenommen werden. Eine lokale Erwärmung kann beispielsweise mit einer lokalisierten Flamme, die auf das Werkstück gerichtet wird, oder einem CO2-Laser- Strahl der auf das Werkstück eingestrahlt wird, bewirkt werden. Eine (lokale oder großflächige) Abkühlung kann beispielsweise mit einem Wasser-Gas-Gemisch, das auf das Werkstück gesprüht wird oder beispielsweise durch einen Hohlraum des Werkstücks strömt, bewirkt werden. The laser processing system shown in FIG. 2 can additionally include a heat source 203 and/or a cooling source 205 for a thermally supported cutting process. Alternatively, the heat source 203 and/or the cooling source 205 can be provided as part of an independent separating device with the correspondingly required degrees of freedom. The heat source 203 and the cooling source 205 are designed to heat or cool the glass tube 201, in particular in the area of the modifications. For this purpose, local heating/cooling can be carried out in combination with a rotation of the glass tube (indicated by the arrow 206 in FIG. 10). Localized heating can be effected, for example, with a localized flame directed at the work piece or a CO2 laser beam directed at the work piece. A (local or large-area) cooling can be effected, for example, with a water-gas mixture that is sprayed onto the workpiece or, for example, flows through a cavity in the workpiece.
Der Trennprozess kann drei Teilschritte 207A, 207B, 207C umfassen. Diese sind in den Figuren 10 und 11 für den Fall einer Unterteilung eines Glasrohrs 201 in Glasrohrteile 201 A, 21B schematisch verdeutlich. In dem Trennprozess wird das Glasrohr 201 thermisch derart beeinflusst, dass sich das Glasrohr 201 in die zwei Glasrohrteile 201A, 201B auftrennt. The separation process can include three sub-steps 207A, 207B, 207C. These are illustrated schematically in FIGS. 10 and 11 for the case of a subdivision of a glass tube 201 into glass tube parts 201A, 21B. In the separating process, the glass tube 201 is thermally influenced in such a way that the glass tube 201 separates into the two glass tube parts 201A, 201B.
Im Teilschritt 207Ain Fig. 10 erkennt man das Glasrohr 201 (perspektivisch dargestellt) mit einer Anordnung von symmetrischen Modifikationen 209. Die Modifikationen 209 erstrecken sich beispielsweise von der Oberfläche des Glasrohrs 201 radial in dieses hinein. Die Modifikationen 209 liegen in einer Zone 209A vor, die sich um das Glasrohr beispielsweise kreisförmig erstreckt. Mit anderen Worten erstreckt sich die Anordnung von Modifikationen 209 einmal um das Glasrohr 201 herum, wie man es an dem vergrößerten (abgerollten) Ausschnitt 211 der Oberfläche des Glasrohrs 201 erkennt. Im Beispiel der Fig. 10 ist jede der Modifikationen 209 rotationssymmetrisch in das Material des Glasrohrs 201 eingeschrieben worden, beispielsweise mithilfe eines symmetrischen Bessel-Gauß-Strahls, der als nicht-beugender Strahl die langgezogene Fokuszone im Material des Glasrohrs 201 zur Erzeugung der Modifikationen 209 ausbildet. In einer weiteren Vergrößerung 211 A des abgerollten Ausschnitts 211 wurde schematisch angedeutet, dass von den Modifikationen 209 Risse 213 ausgehen. Die
Risse 213 sind zufällig ausgerichtet und/oder verlaufen (zumindest teilweise) vermehrt zwischen den Modifikationen 209. In step 207A in FIG. 10 one can see the glass tube 201 (shown in perspective) with an arrangement of symmetrical modifications 209. The modifications 209 extend, for example, from the surface of the glass tube 201 radially into the latter. The modifications 209 are present in a zone 209A which extends around the glass tube, for example in a circular manner. In other words, the arrangement of modifications 209 extends once around the glass tube 201, as can be seen from the enlarged (unrolled) section 211 of the surface of the glass tube 201. In the example of Fig. 10, each of the modifications 209 has been written rotationally symmetrically into the material of the glass tube 201, for example with the help of a symmetrical Bessel-Gaussian beam, which, as a non-diffracting beam, covers the elongated focal zone in the material of the glass tube 201 to produce the modifications 209 trains. In a further enlargement 211 A of the unrolled section 211, it was indicated schematically that cracks 213 emanate from the modifications 209. the Cracks 213 are randomly oriented and/or increasingly run (at least partially) between the modifications 209.
Im Teilschritt 207A wird das Glasrohr 201 derart gehalten, dass es durchgehend mittels einer Rotationsachse, beispielsweise um die Zylinderachse, gedreht werden kann. Die modifizierte Zone 209A des Glasrohrs 201 wird kontinuierlich erhitzt. Dies kann beispielsweise durch eine Flamme 203 A oder einen CO2-Laser- Strahl erfolgen. Die Rotationsgeschwindigkeit kann dabei derart gewählt werden, dass keine signifikante Abkühlung während einer Umdrehung des Glasrohrs 201 eintritt. Das Glasrohr 201 kann auf diese Weise über die komplette Materialstärke erhitzt werden, sodass sich das Material des Glasrohrs 201 in diesem Bereich ausdehnt. In sub-step 207A, the glass tube 201 is held in such a way that it can be continuously rotated by means of a rotation axis, for example around the cylinder axis. The modified zone 209A of the glass tube 201 is continuously heated. This can be done, for example, by a flame 203 A or a CO2 laser beam. The rotation speed can be selected in such a way that no significant cooling occurs during one revolution of the glass tube 201 . In this way, the glass tube 201 can be heated over the entire material thickness, so that the material of the glass tube 201 expands in this area.
Im Teilschritt 207B wird die Oberfläche des Glasrohrs 201 nun möglichst schlagartig abgekühlt. Dies kann z.B. durch eine Kühlung mittels eines Wasser-Gas-Gemischs 205A erfolgen, das unter fortgesetzter Drehung des Glasrohrs 201 großflächig auf dieses gesprüht wird. In partial step 207B, the surface of the glass tube 201 is now cooled as abruptly as possible. This can be done, for example, by cooling using a water-gas mixture 205A, which is sprayed onto a large area of the glass tube 201 while it continues to rotate.
Somit liegt im äußeren/oberflächennahen Bereich des Materials des Glasrohrs 201 eine erheblich abgekühlte Temperatur vor und es bildet sich ein großer Temperaturgradient mit einer minimalen Temperatur an der Oberfläche des Glasrohrs 201 und einer maximalen Temperatur zum Beispiel im Bereich der Zone 209A der Modifikationen 209 auf der Innenwand des Glasrohrs 201 aus. Durch den großen Temperaturgradienten herrscht an der Oberfläche des Glasrohrs 201 eine Zugspannung (Pfeile 215), die einen möglichst vollständig umlaufenden Initialriss 217 an der Oberfläche des Glasrohrs 201 entstehen lässt. Der Initialriss 217 verläuft entlang der eingebrachten Modifikationen 209 und kann teilweise/ab schnittsweise auf den Rissen 213 beruhen, die bereits beim Einbringen der Modifikationen 209 entstanden sind. Thus, in the outer/near-surface area of the material of the glass tube 201, the temperature has cooled down considerably and a large temperature gradient forms with a minimum temperature on the surface of the glass tube 201 and a maximum temperature, for example in the area of zone 209A of the modifications 209 on the Inner wall of the glass tube 201 from. Due to the large temperature gradient, there is a tensile stress (arrow 215) on the surface of the glass tube 201, which causes an initial crack 217 to form on the surface of the glass tube 201 that runs as completely as possible. The initial crack 217 runs along the introduced modifications 209 and can partially/in sections be based on the cracks 213 that have already arisen when the modifications 209 were introduced.
Im Teilschritt 207C wird das Glasrohr 201 von außen erhitzt (Flamme 203B) und optional durch ein Wasser-Gas-Gemisch 205B‘ einer Kühlquelle 205‘ von innen gekühlt. Es entsteht nun ein Temperaturgradient über die gesamte Material dicke des Glasrohrs 201. Der Temperaturgradient führt dazu, dass sich der Initialriss 217 durch die Wand des Glasrohrs 201 hindurch ausbreiten kann. In step 207C, the glass tube 201 is heated from the outside (flame 203B) and optionally cooled from the inside by a water-gas mixture 205B' from a cooling source 205'. A temperature gradient now develops over the entire material thickness of the glass tube 201. The temperature gradient means that the initial crack 217 can propagate through the wall of the glass tube 201.
In Fig. 10 wird der Teilschritt 207C zusätzlich schematisch an einem aufgeschnittenen Rohr hinsichtlich der wirkenden Kräfte verdeutlicht (Pfeile 219Azur Verdeutlichung der Spannung
aufgrund der Abkühlung im Innenbereich des Glasrohrs 201; Pfeile 219B zur Verdeutlichung der Spannung aufgrund der Erwärmung des Außenbereichs des Glasrohrs 201). In Fig. 10, the sub-step 207C is additionally illustrated schematically on a sectioned pipe with regard to the forces acting (arrows 219 for clarification of the tension due to cooling in the interior of the glass tube 201; Arrows 219B to illustrate the stress due to the heating of the outer area of the glass tube 201).
Der Initialriss 217 geht in einen Trennriss 221 über, der sich vollständig durch die Wand des Glasrohrs 201 erstreckt. Verläuft der Trennriss 221 vollständig um das Glasrohr 201, liegt eine vollständige Trennung des Glasrohrs in die Teile 201 A und 201B vor. The initial crack 217 transitions into a separating crack 221 which extends completely through the wall of the glass tube 201 . If the separation crack 221 runs completely around the glass tube 201, the glass tube has been completely separated into the parts 201A and 201B.
Zur Vollständigkeit wird darauf hingewiesen, dass neben einer Intensitätsverteilung in einer Fokuszone, die eine einzige symmetrische Modifikation hervorruft, eine Phasenaufprägung z.B. mit einem diffraktiven optischen Element vorgenommen werden kann, die zu einer Intensitätsverteilung in der Fokuszone führt, die eine asymmetrische (z.B. in einer Richtung abge- flachte) Modifikation oder mehrere parallel zueinander verlaufende Modifikationen hervorruft (siehe Abbildung (c) der Fig. 1). Dabei kann die Modifikation oder die Anordnung von Modifikationen mit einem Laserpuls oder einer Gruppe von Laserpulsen erzeugt werden. Beispielhafte Phasenaufprägungen und Intensitätsverteilungen sind z.B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 128 362.0, “Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbearbeitungsanlage”, mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 der Anmelderin sowie in K. Chen et al., „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams“, arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 offenbart. For the sake of completeness, it is pointed out that, in addition to an intensity distribution in a focal zone that causes a single symmetrical modification, a phase imprint can be carried out, e.g. with a diffractive optical element, which leads to an intensity distribution in the focal zone that has an asymmetric (e.g. in one direction flattened) modification or several modifications running parallel to each other (see image (c) of FIG. 1). The modification or the arrangement of modifications can be generated with a laser pulse or a group of laser pulses. Exemplary phase imprints and intensity distributions are, for example, in the German patent application 10 2019 128 362.0, "Segmented beam shaping element and laser processing system", with the application date October 21, 2019 by the applicant, and in K. Chen et al., "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams", arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 revealed.
Derartige asymmetrische Modifikationen oder Aufreihungen von Modifikationen können ebenfalls mit den hierin offenbarten Konzepten für die Bearbeitung von Materialien mit gekrümmten Oberflächen genutzt werden. Mit anderen Worten kann auch eine Strahlformung, die für derartige asymmetrische Modifikationen vorzunehmen ist, mit einer Phasenkorrektur kombiniert werden, die die Beeinflussung der Phasenverteilung beim Eintritt in das Material korrigieren kann. Such asymmetric modifications or arrays of modifications may also be utilized with the concepts disclosed herein for processing materials having curved surfaces. In other words, beam shaping, which is to be carried out for such asymmetrical modifications, can also be combined with phase correction, which can correct the influence on the phase distribution when entering the material.
Fig. 11 verdeutlicht für derartige asymmetrische Modifikationen am Beispiel einer elliptisch abgeflachten Modifikation einen thermischen Trennprozess ähnlich dem in Zusammenhang mit Fig. 10 beschriebenen Trennprozess, wobei drei entsprechende Teilschritte 307A, 307B, 307C durchgeführt werden. Für Details der drei Teilschritte wird auf die vorausgehende Beschreibung der Fig. 10 verwiesen. Ferner werden die entsprechenden Bezugszeichen in Fig. 11 verwendet, mit Ausnahme von asymmetrischen Modifikationen 309, einer Modifikationszone
309A, die sich entlang der Modifikationen 309 erstreckt, und Rissen 313 (siehe Teilschritt 207A in Fig. 11). FIG. 11 illustrates a thermal separation process similar to the separation process described in connection with FIG. 10 for such asymmetric modifications using the example of an elliptically flattened modification, with three corresponding partial steps 307A, 307B, 307C being carried out. For details of the three partial steps, reference is made to the preceding description of FIG. Furthermore, the corresponding reference numbers are used in FIG. 11, with the exception of asymmetric modifications 309, a modification zone 309A extending along the modifications 309 and cracks 313 (see sub-step 207A in Fig. 11).
Aufgrund der asymmetrischen Modifikationen 309 können sich die Risse 313 verstärkt entlang der Aufreihung der asymmetrischen Modifikationen 309 ausbilden. Im Vergleich zu zufällig verteilten Rissen können sich die Risse 313 teilweise überlappen oder ragen zumindest näher aneinander heran (wie in Fig. 11 verdeutlicht). Because of the asymmetrical modifications 309, the cracks 313 can form to a greater extent along the array of asymmetrical modifications 309. Compared to randomly distributed cracks, the cracks 313 may partially overlap or at least protrude closer together (as illustrated in Figure 11).
Im Teilschritt 207B wird - ähnlich dem Initialriss 217 der Fig. 10 - ein Initialriss 317 gezeigt, der die asymmetrischen Modifikation 309 im Wesentlichen entlang der Risse 313 und primär auf der Oberseite des Glasrohrs 201 verbindet. Durch die Vorzugsrichtung der Risse 313 können so die Ausbildung des Initialrisses 317 im Teilschritt 207B und die Ausbildung eines Trennrisses 321 im Teilschritt 207C vereinfacht werden. In partial step 207B, an initial crack 317 is shown—similar to the initial crack 217 of FIG. Due to the preferred direction of the cracks 313, the formation of the initial crack 317 in the partial step 207B and the formation of a separating crack 321 in the partial step 207C can be simplified.
Die Figuren 12A, 12B verdeutlichen schematisch bearbeitete Werkstücke, bei denen entlang einer Innenkontur als Abtasttrajektorie eine Abfolge von Modifikationen in eine Rohrwand eingebracht wurden. FIGS. 12A, 12B illustrate schematically machined workpieces in which a sequence of modifications was introduced into a pipe wall along an inner contour as a scanning trajectory.
Beispielhaft für ein Werkstück mit gleichbleibender Krümmung zeigt Fig. 12A einen sich entlang einer Längsrichtung (y -Richtung) erstreckenden Rohrabschnitt 51 mit einem konstanten Außenradius und einer Wandstärke im Bereich von 1 mm. In den Rohrabschnitt 51 wurde auf einer Mantelfläche (der Außenfläche des Rohrabschnitts 51) eine im Wesentlichen kreisrunde Öffnung 53 erzeugt, indem entlang einer geschlossenen Innenkontur 55 eine Aufreihung von Modifikationen eingeschrieben wurde. Bei dem Einschreibevorgang konnte aufgrund der gleichbleibenden Krümmung eine einmal eingestellte phasenkorrigierende Strahlformung unverändert beibehalten werden. Im Anschluss an den Einschreibevorgang wurde ein Nass-Ätzvorgang durchgeführt, sodass der Bereich des Rohrab Schnitts 51 im Inneren der Innenkontur 53 vollständig vom umgebenden Material getrennt wurde und entsprechend entnommen werden konnte. Die in Fig. 12A gezeigten Enden 51A, 51B des Rohrabschnitts 51 können jeweils das Ergebnis eines umlaufenden Konturschnitts sein. As an example of a workpiece with a constant curvature, FIG. 12A shows a tube section 51 extending in a longitudinal direction (y-direction) with a constant outer radius and a wall thickness in the range of 1 mm. A substantially circular opening 53 was produced in the pipe section 51 on a lateral surface (the outer surface of the pipe section 51 ) by inscribing a row of modifications along a closed inner contour 55 . Due to the constant curvature, a phase-correcting beam shaping, once set, could be retained unchanged during the writing process. After the inscription process, a wet etching process was carried out so that the area of the tube section 51 inside the inner contour 53 was completely separated from the surrounding material and could be removed accordingly. The ends 51A, 51B of the pipe section 51 shown in FIG. 12A can each be the result of a circumferential contour cut.
Beispielhaft für ein Werkstück mit variierender Krümmung zeigt Fig. 12B einen konusförmig zulaufenden Hohlkörper 57, bei dem der Krümmungsradius einer Außenseite der Wandung in y-Richtung zunimmt; d. h., der Hohlkörper 57 reduziert sich im Radius entlang der y-
Richtung beispielhaft linear bei einer im Wesentlichen konstanten Wandstärke von 1 mm. Entsprechend variiert bei der Bearbeitung der Oberfläche des Hohlkörpers 57 die zu korrigierende Krümmung in Abhängigkeit der y-Position. As an example of a workpiece with varying curvature, FIG. 12B shows a conically tapering hollow body 57, in which the radius of curvature of an outside of the wall increases in the y-direction; ie, the hollow body 57 reduces in radius along the y Direction example linear with a substantially constant wall thickness of 1 mm. Correspondingly, when the surface of the hollow body 57 is being machined, the curvature to be corrected varies as a function of the y position.
Wie in Fig. 12A wurde in den Hohlkörper 57 eine im Wesentlichen kreisrunde Öffnung 53 ‘ erzeugt, indem entlang einer geschlossenen Innenkontur 55 ‘ eine Aufreihung von Modifikationen in die Wandung eingeschrieben wurde. Aufgrund der variierenden Krümmung wurde entlang der Abtasttrajektorie die phasenkorrigierende Strahlformung. As in FIG. 12A, an essentially circular opening 53' was produced in the hollow body 57 by inscribing a row of modifications in the wall along a closed inner contour 55'. Due to the varying curvature, the phase-correcting beamforming was used along the scanning trajectory.
Beispielsweise kann aufgrund der bekannten Geometrie des Hohlkörpers 57 eine y-abhängige Anpassung der phasenkorrigierenden Strahlformung vorgenommen werden. Alternativ kann die Variation der Krümmung während der Bearbeitung entlang der Abtasttrajektorie erfasst und eine entsprechende Einstellung der phasenkorrigierenden Strahlformung vorgenommen werden. Zusätzlich oder alternativ kann ferner zum Erfassen der Krümmung die geschlossene Innenkontur 55‘ vor der Laserbearbeitung einmal separat abgefahren werden, um in der Steuerungseinheit die entsprechenden Krümmungsdaten zu hinterlegen und die phasenkorrigierende Strahlformung entsprechend einzustellen. For example, based on the known geometry of the hollow body 57, a y-dependent adaptation of the phase-correcting beam formation can be undertaken. Alternatively, the variation in curvature can be detected during processing along the scanning trajectory and the phase-correcting beam shaping can be adjusted accordingly. Additionally or alternatively, to detect the curvature, the closed inner contour 55' can be traversed separately before the laser processing in order to store the corresponding curvature data in the control unit and to set the phase-correcting beam shaping accordingly.
Auch die Enden 57A, 57 B des Hohlkörpers 57 können beispielsweise das Ergebnis von umlaufenden Konturschnitten darstellen, wobei jeder der Konturschnitte mit einer eigenen phasenkorrigierenden Strahlformung angepasst an die jeweils vorliegende Krümmung durchgeführt werden kann. The ends 57A, 57B of the hollow body 57 can also represent, for example, the result of circumferential contour cuts, it being possible for each of the contour cuts to be carried out with its own phase-correcting beam shaping, adapted to the curvature present in each case.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and/or the claims are to be regarded as separate and independent from each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the combinations of features in the embodiments and/or the claims should. It is explicitly stated that all indications of ranges or groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, in particular also as a limit of a range indication.
Claims
1. Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks (9) mit einem gepulsten Laserstrahl (3), wobei das Werkstück (9) ein weitgehend für den Laserstrahl (3) transparentes Material mit einer gekrümmten Oberfläche (9A) aufweist, mit den Schritten: 1. A method for material processing of a workpiece (9) with a pulsed laser beam (3), wherein the workpiece (9) has a largely transparent for the laser beam (3) material with a curved surface (9A), with the steps:
Strahlformen (Schritt 101) des Laserstrahls (3) zum Ausbilden einer langgezogenen Fokuszone (7) in dem Material des Werkstücks (9), wobei das Strahlformen mit einer Anordnung von diffraktiven, reflektiven und/oder refraktiven Optiken durchgeführt wird und umfasst: Beam shaping (step 101) of the laser beam (3) to form an elongated focus zone (7) in the material of the workpiece (9), the beam shaping being carried out with an arrangement of diffractive, reflective and/or refractive optics and comprising:
- eine fokusbildende Strahlformung (Schritt 101 A), die ein Einlaufen von Strahlanteilen (3A) unter einem Einlaufwinkel (6‘) auf eine Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone (7) entlang der Strahlachse (5) im Werkstück (9) durch Interferenz bewirkt, und - Focus-forming beam shaping (step 101 A), which involves beam components (3A) entering at an angle of incidence (6') onto a beam axis (5) of the laser beam (3) for forming the elongated focus zone (7) along the beam axis (5 ) in the workpiece (9) caused by interference, and
- eine phasenkorrigierende Strahlformung (Schritt 101B), die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls (3) in das Werkstück (9) entgegenwirkt, und - a phase-correcting beam shaping (step 101B), which counteracts an influence on the interference by an entry of the laser beam (3) into the workpiece (9), and
Einstellen (Schritt 105) von Strahlparameter des Laserstrahls (3) derart, dass das Material des Werkstücks (9) in der langgezogenen Fokuszone (7) modifiziert wird. Adjusting (step 105) the beam parameters of the laser beam (3) in such a way that the material of the workpiece (9) is modified in the elongated focal zone (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gekrümmte Oberfläche (9A) in einer Richtung gekrümmt ist, und das Strahlformen des Laserstrahls (3) ein Aufprägen mindestens einer zweidimensionalen Phasenverteilung (PHI BESSEL, PHI ZYL, PHY total) auf den Laserstrahl (3) zum Ausbilden einer langgezogenen Fokuszone (7) in dem Material des Werkstücks (9) umfasst, wobei die mindestens eine Phasenverteilung (PHI BESSEL, PHI ZYL, PHY total) umfasst: 2. The method according to claim 1, wherein the curved surface (9A) is curved in one direction, and the beam shaping of the laser beam (3) involves impressing at least one two-dimensional phase distribution (PHI BESSEL, PHI ZYL, PHY total) on the laser beam (3) for forming an elongated focal zone (7) in the material of the workpiece (9), the at least one phase distribution (PHI BESSEL, PHI ZYL, PHY total) comprising:
- für die fokusbildende Strahlformung erste Phasenbeiträge (25 A), die das Einlaufen von Strahlanteilen (3A) unter dem Einlaufwinkel (6‘) bewirken und insbesondere einen nicht-beugenden Strahl für die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück erzeugen, und - for the focus-forming beam formation, first phase contributions (25 A), which bring about the arrival of beam components (3A) at the arrival angle (6') and, in particular, generate a non-diffracting beam for the formation of the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece, and
- für die phasenkorrigierende Strahlformung zweite Phasenbeiträge (25B), die eine vom Laserstrahl (3) bei einem Eintritt in das Werkstück (9) lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben.
- second phase contributions (25B) for the phase-correcting beam formation, which cancel out an entry phase locally accumulated by the laser beam (3) when entering the workpiece (9).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die lokal akkumulierte Eintrittsphase für eine Ausrichtung der Strahlachse (5) entlang einer Normalenrichtung (N) der Oberfläche (9A) an einem Auftreffpunkt (P) der Strahlachse (5) auf die Oberfläche (9A) bestimmt ist und berücksichtigt: 3. The method according to claim 2, wherein the locally accumulated entry phase is determined for an alignment of the beam axis (5) along a normal direction (N) of the surface (9A) at a point of impact (P) of the beam axis (5) on the surface (9A). and takes into account:
- den Einlaufwinkel (6‘), - the infeed angle (6'),
- einen Krümmungsradius (Rw) der Oberfläche (9A) am Auftreffpunkt (P) und - a radius of curvature (Rw) of the surface (9A) at the impact point (P) and
- einen Brechungsindex (nw) des Werkstücks (9). - a refractive index (nw) of the workpiece (9).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die zweiten Phasenbeiträge (25B) eine zu einer Symmetrieachse (S) achsensymmetrische Phasenverteilung ausbilden, wobei die zweiten Phasenbeiträge parallel zur Symmetrieachse (S) konstant sind und sich senkrecht zur Symmetrieachse (S) verändern, ferner mit dem Schritt: 4. The method according to claim 2 or 3, wherein the second phase contributions (25B) form a phase distribution that is axisymmetric to an axis of symmetry (S), the second phase contributions being constant parallel to the axis of symmetry (S) and changing perpendicularly to the axis of symmetry (S). with the step:
Ausrichten (Schritt 103) der achsensymmetrische Phasenverteilung und des Werkstücks (9) derart zueinander, dass die Symmetrieachse (S) unter Berücksichtigung eines Strahlengangs (13) zwischen einem Ort des Aufprägens der achsensymmetrischen Phasenverteilung und dem Werkstück (9) orthogonal zu einer Ebene verläuft, in der ein Krümmungsradius der Oberfläche (9A) definiert ist. Alignment (step 103) of the axisymmetric phase distribution and the workpiece (9) to one another in such a way that the axis of symmetry (S) runs orthogonally to a plane, taking into account a beam path (13) between a location where the axisymmetric phase distribution is impressed and the workpiece (9), in which a radius of curvature of the surface (9A) is defined.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die ersten Phasenbeiträge (25 A) und/oder die zweiten Phasenbeiträge (25B) mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement (15) auf ein transversales Strahlprofil des Laserstrahls (3) aufgeprägt werden, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement (15) aneinander angrenzende Flächenelemente (15A) aufweist, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement (15A) ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und wobei die Phasenschiebungswerte die ersten Phasenbeiträge (25 A) und/oder die zweiten Phasenbeiträge (25B) bewirken. 5. The method according to any one of claims 2 to 4, wherein the first phase contributions (25 A) and/or the second phase contributions (25B) are impressed onto a transverse beam profile of the laser beam (3) using a diffractive optical beam-shaping element (15), the diffractive optical beam-shaping element (15) has surface elements (15A) adjoining one another, which build up a surface grating structure in which each surface element (15A) is assigned a phase shift value, and wherein the phase shift values represent the first phase contributions (25 A) and/or the second phase contributions ( 25B).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: 6. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
Einstrahlen (Schritt 107A) des Laserstrahls (3) auf die Oberfläche (9A) entlang eines Strahlengangs (13) eines optischen Systems, das den Laserstrahl (3) in das Material des Werkstücks (9) zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone (7) abbildet, und/oderRadiation (step 107A) of the laser beam (3) onto the surface (9A) along a beam path (13) of an optical system that images the laser beam (3) in the material of the workpiece (9) to form the elongated focus zone (7), and or
Ausrichten (Schritt 107B) der Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) zu einer Normalenrichtung (N) der Oberfläche (9A) derart, dass die Strahlachse (5) in einem Winkelbereich von 5° um die Normalenrichtung (N), auf die Oberfläche (9A) auftrifft.
Aligning (step 107B) the beam axis (5) of the laser beam (3) to a normal direction (N) of the surface (9A) such that the beam axis (5) is in an angular range of 5° around the normal direction (N) on the surface (9A) occurs.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die phasenkorrigierende Strahlformung durch eine Zylinderlinse (35, 35‘) erzeugt werden, die vor oder nach einer die fokusbildende Strahlformung bewirkenden Optik (27, 31) in einem Strahlengang des Laserstrahls (3) positioniert ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the phase-correcting beam shaping is generated by a cylindrical lens (35, 35'), which is positioned in a beam path of the laser beam (3) before or after an optical system (27, 31) that brings about the focus-forming beam shaping .
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zylinderlinse (35, 35‘) einen Krümmungsradius aufweist, der an einen Krümmungsradius der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) angepasst ist, sodass für den Krümmungsradius Rz der Zylinderlinse (35, 35‘) gilt: 8. The method according to claim 7, wherein the cylindrical lens (35, 35') has a radius of curvature which is adapted to a radius of curvature of the surface (9A) of the workpiece (9), so that for the radius of curvature Rz of the cylindrical lens (35, 35') is applicable:
- bei Positionieren des Beginns der langgezogenen Fokuszone (7) vor der gekrümmten Ober- fläche (9A) unter Verwendung der Parameter a = 5060 mm und b = 9645 mm und der Verschiebung Az des Beginns der langgezogenen Fokuszone (7) in Propagationsrichtung vor die gekrümmten Oberfläche (9A):
- when positioning the beginning of the elongated focal zone (7) in front of the curved surface (9A) using the parameters a = 5060 mm and b = 9645 mm and the displacement Az of the beginning of the elongated focal zone (7) in the propagation direction in front of the curved one Surface (9A):
- bei Positionieren des Beginns der langgezogenen Fokuszone (7) in Propagationsrichtung hinter der gekrümmten Oberfläche (9A) unter Verwendung der Parameter c = 284 mm'1 und d = 590 und der Verschiebung Az des Beginns der langgezogenen Fokuszone (7) vor die gekrümmten Oberfläche (9A):
- when positioning the beginning of the elongated focal zone (7) in the direction of propagation behind the curved surface (9A) using the parameters c = 284 mm' 1 and d = 590 and the displacement Az of the beginning of the elongated focal zone (7) in front of the curved surface (9A):
- bei Positionieren des Beginns der langgezogenen Fokuszone (7) auf der gekrümmten Oberfläche (9A): - when positioning the beginning of the elongated focal zone (7) on the curved surface (9A):
Rz (-1) Rw M2 (nz-l)/(nw-l) mit nz : Brechungsindex der Zylinderlinse (35, 35 ‘ ), Rz (-1) Rw M 2 (nz-l)/(nw-l) with nz : refractive index of the cylindrical lens (35, 35 '),
Rw: Krümmungsradius Ra der Oberfläche (9A), nw: Brechungsindex des Materials des Werkstücks (9) und Rw: radius of curvature Ra of the surface (9A), nw: refractive index of the material of the workpiece (9) and
M: Abbildungsfaktor des Strahlengangs zwischen einem Ort der fokusbildendenM: imaging factor of the beam path between a location of the focus-forming
Strahlformung und dem Werkstück (9).
Beam shaping and the workpiece (9).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlformen des Laserstrahls (3) mit einer Aufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf ein transversales Strahlprofil eines Ausgangslaserstrahls (3‘) durchgeführt wird mit: 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the beam shaping of the laser beam (3) is carried out with an imprint of a two-dimensional phase distribution on a transverse beam profile of an output laser beam (3') with:
- einem diffraktiven optischen Strahlformungselement (27), das festeingestellte oder einstellbare Phasenwerte in einer zweidimensionalen Anordnung aufweist; oder - a diffractive optical beam-shaping element (27) having fixed or adjustable phase values in a two-dimensional array; or
- einer Kombination eines, insbesondere deformierbaren, Zylinderspiegels mit einem Axicon (31); oder - A combination of a, in particular deformable, cylindrical mirror with an axicon (31); or
- einer Kombination einer Zylinderlinse (35, 35‘) mit einem Axicon (31); oder - a combination of a cylindrical lens (35, 35') with an axicon (31); or
- einer Kombination einer Zylinderlinse (35, 35‘) oder eines, insbesondere deformierbaren, Zylinderspiegels mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement (27), das festeingestellte oder einstellbare Phasenwerte in einer zweidimensionalen Anordnung aufweist, die zum Aufprägen einer Phasenverteilung, insbesondere einer Bessel-Strahl-artigen Phasenverteilung, für die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone (7) ausgebildet ist. - a combination of a cylinder lens (35, 35') or a cylinder mirror, in particular a deformable one, with a diffractive optical beam-shaping element (27), which has fixed or adjustable phase values in a two-dimensional arrangement, which is used to impress a phase distribution, in particular a Bessel beam Like phase distribution, is designed for the formation of the elongated focus zone (7).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlformen des Laserstrahls (3) mit einer einzelnen Optik durchgeführt wird, die als ein refraktives Freiformoptikelement oder ein hybrides Optikelement, insbesondere eine Optikeinheit aus einer eingangsseitigen Zylinderlinse und einem ausgangsseitigen Axicon, ausgebildet ist. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the beam shaping of the laser beam (3) is carried out with individual optics, which are designed as a refractive free-form optics element or a hybrid optics element, in particular an optics unit consisting of an input-side cylindrical lens and an output-side axicon.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: 11. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
Bewirken (Schritt 109) einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (9) und der Fokuszone (7), bei der die Fokuszone (7) entlang einer Abtasttrajektorie (T) im Material des Werkstücks (9) positioniert wird, sodass eine Mehrzahl von Modifikationen in das Material des Werkstücks (9) entlang der Abtasttrajektorie (T) eingeschrieben werden, wobei insbesondere die Abtasttrajektorie (T) eine Außenkontur zum Unterteilen des Werkstücks (9) in zwei Teile entlang einer Längsachse des Werkstücks (9) oder eine auf eine Oberfläche des Werkstücks (9) geschlossene Innenkontur zum Auslösen eines durch die Innenkontur abgegrenzten Bereichs ist. Effecting (step 109) a relative movement between the workpiece (9) and the focal zone (7), in which the focal zone (7) is positioned along a scanning trajectory (T) in the material of the workpiece (9), so that a plurality of modifications in the Material of the workpiece (9) along the scanning trajectory (T) are inscribed, in particular the scanning trajectory (T) an outer contour for dividing the workpiece (9) into two parts along a longitudinal axis of the workpiece (9) or on a surface of the workpiece ( 9) closed inner contour for triggering an area delimited by the inner contour.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Werkstück (9) als Rohr, Zylinder oder Abschnitt eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, ausgebildet ist, und die Relativbewegung eine Rotationsbewegung des Werkstücks (9) umfasst, und wobei die
Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) insbesondere durch eine Längsachse (A) des Werkstücks (9) verläuft. 12. The method according to claim 11, wherein the workpiece (9) is designed as a tube, cylinder or section of a tube or cylinder, such as a half-tube or half-cylinder, and the relative movement comprises a rotational movement of the workpiece (9), and wherein the Beam axis (5) of the laser beam (3) in particular through a longitudinal axis (A) of the workpiece (9).
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei bei einer reinen Rotationsbewegung um eine Längsachse des Werkstücks (9) die Abtasttrajektorie (T) des Laserstrahls (3) in einer Ebene der maximalen Krümmung der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) verläuft, und/oder wobei zusätzlich oder abschnittsweise eine Translationsbewegung in Richtung der Längsachse des Werkstücks (9) erfolgt. 13. The method according to claim 11 or 12, wherein in the case of a purely rotational movement about a longitudinal axis of the workpiece (9), the scanning trajectory (T) of the laser beam (3) runs in a plane of the maximum curvature of the surface (9A) of the workpiece (9), and/or wherein a translational movement in the direction of the longitudinal axis of the workpiece (9) takes place additionally or in sections.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner mit: 14. The method according to any one of claims 11 to 13, further comprising:
Überwachen und Regeln (Schritt 111) einer Position der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der Strahlachse (5) auf eine Soll-Position, und wobei das Überwachen und Regeln insbesondere durchgeführt wird, falls bei einer Rotationsbewegung eine Rotationsachse von einer Rotationssymmetrieachse der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) abweicht und/oder die Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) zumindest abschnittsweise von einem rotationssymmetrischen Oberflächenverlauf abweicht. Monitoring and controlling (step 111) a position of the surface (9A) of the workpiece (9) along the beam axis (5) to a target position, and wherein the monitoring and controlling is carried out in particular if, in the case of a rotational movement, a rotational axis differs from an axis of rotational symmetry the surface (9A) of the workpiece (9) deviates and/or the surface (9A) of the workpiece (9) deviates at least in sections from a rotationally symmetrical surface profile.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner mit: 15. The method according to any one of claims 11 to 14, further comprising:
Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung an eine Änderung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang der Abtasttrajektorie (T) des Laserstrahls (3), wobei ein Steuerungssignal zum Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung insbesondere anhand einer Vorvermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche (9A) entlang der Trajektorie (T) und/oder anhand einer Onlinevermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche (9A) während einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (9) und der Fokuszone (7) entlang der Abtasttrajektorie (T) abgeleitet wird. Adjusting the phase-correcting beam shaping to a change in a curvature of the curved surface along the scanning trajectory (T) of the laser beam (3), a control signal for adjusting the phase-correcting beam shaping, in particular based on a pre-measurement of a curvature of the curved surface (9A) along the trajectory (T) and/or is derived from an online measurement of a curvature of the curved surface (9A) during a relative movement between the workpiece (9) and the focal zone (7) along the scanning trajectory (T).
16. Optisches System (1B) zum Strahlformen eines gepulsten Laserstrahls (3) für eine Ausbildung einer Fokuszone (7) in einem Werkstück (9) mit einer gekrümmten Oberfläche (9A), wobei die Fokuszone (7) entlang einer Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) langgezogen ausgebildet ist, mit: einer fokusbildenden Optik, die ein Einlaufen von Strahlanteilen (3 A) unter einem Einlaufwinkel (6‘) auf eine Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone (7) entlang der Strahlachse (5) im Werkstück (9) durch Interferenz bewirkt,
wobei eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls (3) in das Werkstück (9) entgegenwirkt, mit einer phasenkorrigierenden Optik vorgesehen ist oder in die fokusbildende Optik integriert ist. 16. Optical system (1B) for beam shaping of a pulsed laser beam (3) for forming a focus zone (7) in a workpiece (9) with a curved surface (9A), wherein the focus zone (7) along a beam axis (5) of the Laser beam (3) is formed elongated, with: a focus-forming optics, the arrival of beam portions (3 A) at an angle of incidence (6 ') on a beam axis (5) of the laser beam (3) for a formation of the elongated focus zone (7) caused by interference along the beam axis (5) in the workpiece (9), wherein a phase correction, which counteracts the interference being influenced by the laser beam (3) entering the workpiece (9), is provided with phase-correcting optics or is integrated into the focus-forming optics.
17. Optisches System (1B) nach Anspruch 16, wobei das optische System (1B) dazu eingerichtet ist eine zweidimensionale Phasenverteilung auf den Laserstrahl (3‘) aufzuprägen und diesen als, insbesondere einen realen oder virtuellen Bessel-artigen, Laserstrahl (3) auszugeben, wobei die fokusbildende Optik erste Phasenbeiträge (25 A) der Phasenverteilung erzeugt, die insbesondere einen nicht-beugenden Strahl für die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück erzeugen, und die phasenkorrigierende Optik oder die Phasenkorrektur zweite Phasenbeiträge (25B) der Phasenverteilung erzeugt, die eine vom Laserstrahl (3) bei einem Eintritt in das Werkstück (9) lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben. 17. Optical system (1B) according to claim 16, wherein the optical system (1B) is set up to impress a two-dimensional phase distribution on the laser beam (3') and to output it as a real or virtual Bessel-like laser beam (3). , the focus-forming optics generating first phase contributions (25 A) of the phase distribution, which in particular generate a non-diffracting beam for the formation of the elongated focus zone along the beam axis in the workpiece, and the phase-correcting optics or the phase correction generating second phase contributions (25B) of the phase distribution , which cancel a locally accumulated entry phase from the laser beam (3) when entering the workpiece (9).
18. Optische System (1B) nach Anspruch 16 oder 17, wobei die fokusbildende Optik und/oder die phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung als ein diffraktives optisches Strahlformungselement (27) ausgebildet ist, das dazu eingerichtet ist, die ersten Phasenbeiträge (25 A) und/oder die zweiten Phasenbeiträge (25B) auf ein transversales Strahlprofil des Laserstrahls (3) aufzuprägen, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement (27) aneinander angrenzende Flächenelemente (27 A) aufweist, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement (27 A) ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und wobei die Phasenschiebungswerte die ersten Phasenbeiträge (25A) und/oder die zweiten Phasenbeiträge (25B) bewirken; und/oder die fokusbildende Optik als ein Axicon (31) ausgebildet ist, das die fokusbildenden Phasenbeiträge (25A) erzeugt; und/oder die phasenkorrigierende Optik als eine Zylinderlinse (21) ausgebildet ist, die die zweiten Phasenbeiträge (25B) erzeugt und direkt vor oder nach der fokusbildenden Optik im Strahlengang des Laserstrahls (3) positioniert ist; und/oder die fokusbildende Optik als ein refraktives Freiformelement ausgebildet ist, das die ersten Phasenbeiträge (25 A) und die zweiten Phasenbeiträge (25B) erzeugt; und/oder die fokusbildende Optik und die phasenkorrigierende Optik als eine hybride Optik ausgebildet sind, das die ersten Phasenbeiträge (25A) und die zweiten Phasenbeiträge (25B)
erzeugt und insbesondere als eine Kombination aus einer eingangsseitigen Zylinderlinse und einem ausgangsseitigen Axicon ausgebildet ist. 18. Optical system (1B) according to claim 16 or 17, wherein the focus-forming optics and/or the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution are designed as a diffractive optical beam-shaping element (27) which is set up to convert the first phase contributions (25 A ) and/or to impress the second phase contributions (25B) on a transverse beam profile of the laser beam (3), wherein the diffractive optical beam-shaping element (27) has surface elements (27 A) adjoining one another, which build up a surface lattice structure in which each surface element (27 A) a phase shift value is associated, and wherein the phase shift values cause the first phase contributions (25A) and/or the second phase contributions (25B); and/or the focus-forming optical system is designed as an axicon (31) which generates the focus-forming phase contributions (25A); and/or the phase-correcting optics are designed as a cylindrical lens (21) which generates the second phase contributions (25B) and is positioned directly before or after the focus-forming optics in the beam path of the laser beam (3); and/or the focus-forming optics are designed as a refractive free-form element which generates the first phase contributions (25 A) and the second phase contributions (25B); and/or the focus-forming optics and the phase-correcting optics are designed as hybrid optics that have the first phase contributions (25A) and the second phase contributions (25B) is generated and formed in particular as a combination of an input-side cylindrical lens and an output-side axicon.
19. Optische System (1B) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung als in der zweidimensionalen Phasenverteilung einstellbares optisches Element ausgebildet ist, insbesondere als ein diffraktives optisches Strahlformungselement (27) wie ein räumlicher Lichtmodulator oder ein deformierbarer Zylinderspiegel ausgebildet ist, und das einstellbare optische Element für eine Anpassung der Phasenkorrekturen bei einer Änderung einer zu korrigierenden Krümmung der gekrümmten Oberfläche (9A) in Abhängigkeit eines Steuerungssignals ausgebildet ist. 19. Optical system (1B) according to one of claims 16 to 18, wherein the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution are designed as an optical element that can be set in the two-dimensional phase distribution, in particular as a diffractive optical beam-shaping element (27) such as a spatial light modulator or a deformable cylinder mirror is formed, and the adjustable optical element is formed for an adjustment of the phase corrections when there is a change in a curvature of the curved surface (9A) to be corrected in dependence on a control signal.
20. Optische System (1B) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, ferner mit: einer Teleskopanordnung (13 A) zum Verkleinern einer realen oder virtuellen Fokuszone, die der fokusbildenden Optik zugeordnet ist, und/oder einem Abstandssensor (25), der dazu eingerichtet ist, eine Position (P) einer Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der Strahlachse (5) zu bestimmen. 20. Optical system (1B) according to any one of claims 16 to 19, further comprising: a telescope arrangement (13A) for reducing a real or virtual focal zone which is assigned to the focus-forming optics, and/or a distance sensor (25) which is connected thereto is set up to determine a position (P) of a surface (9A) of the workpiece (9) along the beam axis (5).
21. Laserbearbeitungsanlage (1) für die Bearbeitung eines Werkstücks (9) mit einem gepulsten Laserstrahl (3) durch Modifizieren eines Materials des Werkstücks (9) in einer Fokuszone (7) des Laserstrahls (3), wobei die Fokuszone (7) entlang einer Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) langgezogen ausgebildet ist und das Werkstück (9) ein weitgehend für den Laserstrahl (3) transparentes Material mit einer gekrümmten Oberfläche (9A) aufweist, mit: einer Laserstrahlquelle (1A), die einen Laserstrahl (3‘) ausgibt, einem optischen System (1B) nach einem der Ansprüche 16 bis 20 und einer Werkstückhalterung (19) zur Lagerung des Werkstücks (9). 21. Laser processing system (1) for processing a workpiece (9) with a pulsed laser beam (3) by modifying a material of the workpiece (9) in a focal zone (7) of the laser beam (3), the focal zone (7) along a The beam axis (5) of the laser beam (3) is elongated and the workpiece (9) has a material that is largely transparent to the laser beam (3) and has a curved surface (9A), with: a laser beam source (1A) that emits a laser beam (3 ') outputs, an optical system (1B) according to any one of claims 16 to 20 and a workpiece holder (19) for supporting the workpiece (9).
22. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 21, wobei das optische System (1B) und/oder die Werkstückhalterung (19) dazu eingerichtet sind: 22. Laser processing system (1) according to claim 21, wherein the optical system (1B) and/or the workpiece holder (19) are set up to:
- die Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) zu einer Normalenrichtung (N) der Oberfläche (9A) derart auszurichten, dass die Strahlachse (5) in einem Winkelbereich von 5° um die Normalenrichtung (N), bevorzugt entlang der Normalenrichtung (N), auf die Oberfläche (9A) auftrifft, und/oder
- eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (9) und der Fokuszone (7) zu bewirken, bei der die Fokuszone (7) entlang einer Abtasttrajektorie (T) im Material des Werkstücks (9) positioniert wird, wobei die Ausrichtung der Strahlachse (5) zur Normalenrichtung (N) an den Verlauf der Oberfläche (9A) angepasst wird. - to align the beam axis (5) of the laser beam (3) to a normal direction (N) of the surface (9A) in such a way that the beam axis (5) is in an angular range of 5° around the normal direction (N), preferably along the normal direction (N ), impinging on the surface (9A), and/or - to bring about a relative movement between the workpiece (9) and the focal zone (7), in which the focal zone (7) is positioned along a scanning trajectory (T) in the material of the workpiece (9), the alignment of the beam axis (5) to the Normal direction (N) is adapted to the course of the surface (9A).
23. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 21 oder 22, ferner mit: einem Abstandssensor (25), der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position (P) einer Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der Strahlachse (5) zu bestimmen, und einer Steuerung (23), die dazu eingerichtet ist, eine Position der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der Strahlachse (5) mit dem Abstandssensor (25) zu überwachen und auf eine Soll-Position zu regeln. 23. Laser processing system (1) according to claim 21 or 22, further comprising: a distance sensor (25) which is arranged and set up to a position (P) of a surface (9A) of the workpiece (9) along the beam axis (5). determine, and a controller (23) which is set up to monitor a position of the surface (9A) of the workpiece (9) along the beam axis (5) with the distance sensor (25) and to regulate it to a target position.
24. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das optische System (1B) eine phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung aufweist, die in der zweidimensionalen Phasenverteilung einstellbar ausgebildet ist, und insbesondere als ein diffraktives optisches Strahlformungselement (27) wie ein räumlicher Lichtmodulator oder als ein deformierbarer Zylinderspiegel ausgebildet ist, ferner mit: einer Steuerung (23), die dazu eingerichtet ist, an das einstellbare optische Element ein Steuerungssignal auszugeben, das die zweidimensionale Phasenverteilung an eine zu korrigierende Krümmung der gekrümmten Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) anpasst, wobei das Steuerungssignal insbesondere anhand einer Vorvermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche (9A) entlang einer Trajektorie (T) oder anhand einer Onlinevermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche (9A) während einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (9) und der Fokuszone (7) entlang einer Abtasttrajektorie (T) abgeleitet wird. 24. Laser processing system (1) according to one of claims 21 to 23, wherein the optical system (1B) has phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution, which is designed to be adjustable in the two-dimensional phase distribution, and in particular as a diffractive optical beam shaping element (27) as a spatial light modulator or as a deformable cylinder mirror, further comprising: a controller (23) which is set up to output to the adjustable optical element a control signal which matches the two-dimensional phase distribution to a curvature of the curved surface (9A) to be corrected of the workpiece (9), the control signal being based in particular on a pre-measurement of a curvature of the curved surface (9A) along a trajectory (T) or on the basis of an online measurement of a curvature of the curved surface (9A) during a relative movement between the workpiece (9) and en r focal zone (7) along a scanning trajectory (T) is derived.
25. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner mit: einem Abstandssensor (25), der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position (P) einer Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der Strahlachse (5) zu bestimmen, und einer Steuerung (23), die dazu eingerichtet ist, eine Position der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der Strahlachse (5) mit dem Abstandssensor (25) zu überwachen und auf eine Soll-Position zu regeln.
25. Laser processing system (1) according to one of Claims 21 to 24, further comprising: a distance sensor (25) which is arranged and set up to detect a position (P) of a surface (9A) of the workpiece (9) along the beam axis (5 ) to determine, and a controller (23) which is set up to monitor a position of the surface (9A) of the workpiece (9) along the beam axis (5) with the distance sensor (25) and to regulate it to a target position .
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